Simulando i terremoti in laboratorio, gli ingegneri di Caltech hanno documentato l'evoluzione dell'attrito durante un terremoto, misurando ciò che una volta si poteva solo dedurre, e far luce su una delle più grandi incognite nella modellazione dei terremoti.

Prima di un terremoto, l'attrito statico aiuta a mantenere i due lati di una faglia immobili e premuti l'uno contro l'altro. Durante il passaggio di una rottura sismica, quell'attrito diventa dinamico quando i due lati della faglia si sfregano l'uno sull'altro. L'attrito dinamico si evolve durante un terremoto, influenzando quanto e quanto velocemente il terreno tremerà e quindi, più importante, la distruttività del terremoto.

"L'attrito gioca un ruolo chiave nel modo in cui le rotture aprono le faglie nella crosta terrestre, "dice Vito Rubino, ricercatore presso la Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate (EAS) di Caltech. "Le ipotesi sull'attrito dinamico influenzano un'ampia gamma di previsioni scientifiche sui terremoti, compresa la velocità con cui si verificheranno le rotture, la natura dello scuotimento del terreno, e livelli di stress residuo sulle faglie. Eppure la natura precisa dell'attrito dinamico rimane una delle più grandi incognite nella scienza dei terremoti".

In precedenza, si credeva comunemente che l'evoluzione dell'attrito dinamico fosse principalmente governata da quanto la faglia scivolava in ogni punto durante il passaggio di una rottura, cioè, per la distanza relativa un lato di una faglia scorre sull'altro durante lo scorrimento dinamico. Analizzando i terremoti che sono stati simulati in un laboratorio, il team ha invece scoperto che la storia dello scivolamento è importante, ma il fattore chiave a lungo termine è in realtà la velocità di scorrimento, non solo quanto lontano scivola la faglia, ma quanto velocemente

Rubino è l'autore principale di un articolo sui risultati del team che è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura il 29 giugno. Ha collaborato con Ares Rosakis del Caltech, Theodore von Kármán Professore di Aeronautica e Ingegneria Meccanica presso EAS, e Nadia Lapusta, professore di ingegneria meccanica e geofisica, che ha incarichi congiunti con EAS e la Caltech Division of Geological and Planetary Sciences.

Il team ha condotto la ricerca presso una struttura del Caltech, regia di Rosakis, che è stata ufficiosamente soprannominata la "galleria del vento sismologica". Presso la struttura, i ricercatori utilizzano la diagnostica ottica avanzata ad alta velocità e altre tecniche per studiare come si verificano le rotture dei terremoti.

"La nostra struttura unica ci consente di studiare le leggi dell'attrito dinamico seguendo i singoli, rotture di taglio in rapido movimento e registrazione dell'attrito lungo le loro facce di scorrimento in tempo reale, " dice Rosakis. "Questo ci permette per la prima volta di studiare l'attrito in modo puntuale e senza dover presumere che lo scorrimento avvenga in modo uniforme, come avviene negli studi classici sull'attrito, " aggiunge Rosakis.

Per simulare un terremoto in laboratorio, i ricercatori hanno prima tagliato a metà un blocco trasparente di un tipo di plastica noto come omalite, che ha proprietà meccaniche simili alla roccia. Quindi mettono insieme i due pezzi sotto pressione, simulando l'attrito statico che si accumula lungo una linea di faglia. Prossimo, hanno posizionato una piccola miccia in filo di nichel-cromo nel punto in cui volevano che fosse l'epicentro del terremoto. L'attivazione del fusibile ha prodotto un rilascio di pressione locale, che ha ridotto l'attrito in quella posizione, e ha permesso a una rottura molto rapida di propagarsi sulla faglia in miniatura.

In questo studio, il team ha registrato questi terremoti simulati utilizzando un nuovo metodo diagnostico che combina la fotografia ad alta velocità (a 2 milioni di fotogrammi al secondo) con una tecnica chiamata correlazione di immagini digitali, in cui i singoli fotogrammi vengono confrontati e messi in contrasto tra loro e i cambiamenti tra quelle immagini, che indicano il movimento, vengono monitorati con una precisione sub-pixel.

"Alcuni modelli numerici di rottura sismica, compresi quelli sviluppati nel mio gruppo al Caltech, hanno usato leggi di attrito con dipendenza dalla velocità di scorrimento, basato su una raccolta di esperimenti e teorie sulla meccanica delle rocce. È gratificante vedere quelle formulazioni convalidate dalle rotture spontanee di mini-terremoti nel nostro studio, "dice Lapusta.

Nel lavoro futuro, il team prevede di utilizzare le sue osservazioni per migliorare i modelli matematici esistenti sulla natura dell'attrito dinamico e per contribuire a crearne di nuovi che rappresentino meglio le osservazioni sperimentali; tali nuovi modelli migliorerebbero le simulazioni computerizzate dei terremoti.

Lo studio è intitolato "Comprendere l'attrito dinamico attraverso terremoti di laboratorio in evoluzione spontanea".