Till skillnad från många av naturens dödliga krafter slår jordbävningar nästan alltid till utan förvarning. Dessa destruktiva och förödande krafter kan störta städer på några sekunder och lämnar efter sig spillror och tragedier i deras spår. Lyckligtvis har ingenjören svarat på samtalet med den inställda massdämparen .
Även om de flesta jordbävningar bara är små skakningar, krävs det bara en för att orsaka miljontals dollar i egendomsskador och tusentals dödsfall. Av denna anledning fortsätter forskare att sträva efter ny teknik för att begränsa den förstörelse som jordbävningar kan diska ut.
Innehåll
Med tanke på det betydande hot som jordbävningar utgör, särskilt mot höga skyskrapor och broar med långa spann, har mycket energi och ansträngning lagts ned på att utveckla lösningar som kan skingra den våldsamma energi som frigörs under seismiska händelser. En sådan innovativ lösning är den avstämda massdämparen (TMD).
En TMD är en enhet som använder en avstämd massa för att motverka svängningarna i en struktur. Genom att göra det absorberar och försvinner den energi som annars skulle kunna orsaka skada eller förstörelse.
Föreställ dig ett barn på en gunga. Trycker du på gungan börjar den röra sig fram och tillbaka. Nu, om du försöker trycka på gungan igen men vid en tidpunkt då den kommer tillbaka mot dig, störs gungans rörelse. Detta är grundprincipen bakom TMD:er. De väsentliga dämpningsanordningarna är utformade för att "trycka" mot strukturens rörelse under en jordbävning och därigenom minska svängningarna.
Ett pålitligt avstämt massdämparsystem är viktigt, men det finns mer magi i konstruktionen av dessa enheter, inklusive den innovativa "smarta vätskan" som är känd för proffsen som MR.
Mycket av effektiviteten hos massdämpare är ett unikt ämne som kallas magnetoreologisk vätska (MR-vätska). Denna vätska används inuti stora spjäll för att stabilisera byggnader under jordbävningar. MR-vätska är en vätska som ändras till en nästan fast substans när den utsätts för en magnetisk kraft och sedan tillbaka till vätska när den magnetiska kraften har avlägsnats.
Under en jordbävning kommer MR-vätska inuti spjällen att ändras från fast till flytande och tillbaka när skakningar aktiverar en magnetisk kraft inuti spjället. Genom att använda dessa dämpare i byggnader och på broar skapas smarta strukturer som automatiskt reagerar på seismisk aktivitet.
Detta kommer att begränsa mängden skador som orsakas av jordbävningar. I den här utgåvan av How Stuff WILL Work kommer du att lära dig mer om MR-vätska och dess förmåga att ändra tillstånd. Vi ska också titta på hur byggnader, nya som gamla, kan göras om till smarta strukturer.
Om man tittar på det i en bägare verkar MR-vätska inte vara ett så revolutionerande ämne. Det är en grå, oljig vätska som är ungefär tre gånger tätare än vatten. Det är inte så spännande vid första anblicken, men MR-vätska är faktiskt ganska fantastiskt att se i aktion.
En enkel demonstration av David Carlson, fysiker vid North Carolina-labbet, visar vätskans förmåga att omvandlas till fast form på millisekunder. Han häller vätskan i koppen och rör runt den med en penna för att visa att det är vätska. Han placerar sedan en magnet på botten av koppen, och vätskan förvandlas omedelbart till en nästan fast substans. För att ytterligare visa att det har förvandlats till ett fast ämne, håller han koppen upp och ner, och ingen av MR-vätskan faller ut.
Typisk MR-vätska består av dessa tre delar:
Så, vad är det som ger MR-vätska dess unika förmåga att omvandla från flytande till fast och från fast till flytande snabbare än du kan blinka med ett öga? Karbonyljärnpartiklarna. När en magnet appliceras på vätskan står dessa små partiklar i linje för att göra vätskan stelna till en fast substans. Detta orsakas av likströmsmagnetfältet, vilket gör att partiklarna låser sig till en enhetlig polaritet. Hur hårt ämnet blir beror på styrkan på magnetfältet. Ta bort magneten och partiklarna låses upp omedelbart.
Medan forskare nyligen har upptäckt många nya tillämpningar för MR-vätska, har det faktiskt funnits i mer än 50 år. Jacob Rabinow är krediterad för att ha upptäckt MR-vätska på 1940-talet när han arbetade på U.S. National Bureau of Standards (nu National Institute of Standards and Technology).
Fram till omkring 1990 fanns det få applikationer för MR-vätska eftersom det inte fanns något sätt att kontrollera den ordentligt. Idag finns det digitala signalprocessorer och snabba, billiga datorer som kan styra magnetfältet som appliceras på vätskan. Tillämpningar för denna teknik inkluderar Nautilus träningsutrustning, dämpare för tvättmaskiner, stötdämpare för bilar och avancerade benproteser.
I nästa avsnitt kommer vi att titta på de seismiska tillämpningarna av denna MR-teknik, som kan ha störst inverkan på att rädda liv och förhindra kollaps av byggnader.
Jordbävningar i nyheterna
Höga byggnader, långa överfarter och gångbroar är känsliga för resonans som skapas av kraftiga vindar och seismisk aktivitet. För att mildra resonanseffekten är det viktigt att bygga in stora dämpare i deras design för att avbryta resonansvågorna. Om dessa anordningar inte finns på plats kan starka stålkonstruktioner som byggnader och broar skakas till marken, vilket man kan se när en jordbävning inträffar.
Dämpare används i maskiner som du förmodligen använder varje dag, inklusive bilupphängningssystem och tvättmaskiner. Om du tar en titt på How Stuff Works-artikeln om tvättmaskiner, kommer du att lära dig att dämpningssystem använder friktion för att absorbera en del av kraften från mekaniska vibrationer.
Ett dämpningssystem i en byggnad är mycket större och är också utformat för att ge vibrationskontroll och absorbera de våldsamma stötarna från en jordbävning. Storleken på spjällen beror på byggnadens storlek. Det finns tre klassificeringar för dämpningssystem:
Inuti MR-vätskespjället är en elektromagnetisk spole lindad runt tre sektioner av kolven. Cirka 5 liter MR-vätska används för att fylla huvudkammaren i det seismiska spjället. Under en jordbävning kommer sensorer som är anslutna till byggnaden att signalera till datorn att förse spjällen med en elektrisk laddning. Denna elektriska laddning magnetiserar sedan spolen och förvandlar MR-vätskan från en vätska till en nästan fast substans.
Nu kommer elektromagneten sannolikt att pulsera när vibrationerna krusar genom byggnaden. Denna vibration kommer att få MR-vätskan att ändras från flytande till fast form tusentals gånger per sekund och kan få vätskans temperatur att stiga. En termisk expansionsackumulator är fäst på toppen av spjällhuset för att möjliggöra expansion av vätskan när den värms upp. Denna ackumulator förhindrar en farlig tryckökning när vätskan expanderar.
Beroende på byggnadens storlek kan det finnas en mängd möjligen hundratals spjäll. Varje spjäll skulle sitta på golvet och fästas på chevronstagen som är svetsade till en tvärbalk av stål.
När byggnaden börjar skaka, skulle dämparna röra sig fram och tillbaka för att kompensera för vibrationen från stöten. När den är magnetiserad ökar MR-vätskan mängden kraft som dämparna kan utöva.
