Huba
17 °C
33 °C

Ha egy repedés egyszer megindul

2013.09.03. 20:51
Az egyik legrangosabb tudományos szakfolyóirat, a Physical Review Letters címlapján hozta debreceni kutatók repedések terjedésével kapcsolatos munkáját. A Debreceni Egyetem elméleti fizikai tanszékén Kun Ferenc és doktorandusz hallgatója, Danku Zsuzsa a heterogén szerkezetű szilárdtestek törését vizsgálja: rájöttek, hogy a hanghatásokból következtetni lehet a későbbi törésekre. Eredményük hosszú távon a földrengések megértéséhez vezethet.

Hétköznapi tapasztalatunk, hogy ha egy testet egyre jobban terhelünk, egy idő után eltörik. Szabályos szerkezetű, rideg anyagoknál ez a törés hirtelen, katasztrófaszerűen következik be, anélkül, hogy ennek bármilyen előjele volna. Azonban a gyakorlatban a legtöbb anyag – természetes kőzetek, beton, kerámia, szálerősítéses kompozitok – heterogén szerkezetű, azaz gyengébb és erősebb részekből áll.

Csak úgy ropog, mikor törik

„Szilárdtestek törésével foglalkozunk, fizikusok vagyunk. Ez azért érdekes, mert ezzel a problémával hagyományosan mérnökök szoktak foglalkozni. A fizikusoknak azért izgalmas ez a problémakör, mert a gyakorlatban használt anyagok szinte mindegyike nagyon heterogén” – tudtuk meg Kun Ferenctől. A debreceni kutatók fő motivációja, hogyha a szilárdtestek repedezését megértik, abból olyan módszert fejleszthetnek ki, amivel előre lehet jelezni a repedésekből a makroszkopikus törést. Ebből pedig lényegében egyszer majd a földrengéseket is.

A heterogenitásnak, azaz hogy az anyag különböző részekből áll össze, rengeteg olyan következménye van, amit csak a statisztikus fizikán belül lehet kimerítően megérteni, emiatt az elmúlt húsz évben jött létre a rendkívül kacifántosan hangzó tudományos diszciplína, a törési és fragmentációs jelenségek statisztikus fizikája.

Szemben az egynemű, homogén anyagokkal, a heterogéneknél a törést fokozatos repedezés előzi meg, amit időnként akár füllel is hallható reccsenések jeleznek. Érzékeny mikrofonokkal a repedezés zaját a kutatók következtetni tudnak a test belsejében felhalmozódott károsodásra, amiből megpróbálják előrejelezni a közelgő katasztrofális törést.

„A stabil repedezést, előjeleket, kis reppenéseket ma már lehetséges mikrofonnal egészen precízen regisztrálni. Érzékeny, centiméter méretű piezoelektromos mikrofonokkal fel lehet szerelni laboratóriumi körülmények között próbatesteket, illetve terepen is használható ez a mérési eljárás. Sőt, több mikrofonnal akár a repedés térbeli pozícióját is meg lehet állapítani, azaz meg tudják mondani, várhatóan körülbelül hol fog eltörni valami” – mondja Kun.

Számítógéppel modellezték

A kutatók kísérletükhöz idealizálták az anyagokat: egy számítógépes modellt fejlesztettek, amiben nem egy konkrét anyagot vizsgáltak, hanem anyagok egy osztályát, aminek a közös jellemzője a homogenitás.

A kutatók által kifejlesztett úgynevezett szálkötegmodell illusztrációja:  a vizsgált testet párhuzamos szálak kötegére bontják majd a szálakkal párhuzamosan terhelik.  A modellanyag attól volt heterogén, hogy a szálak teherbíró képessége véletlenszerű.
A kutatók által kifejlesztett úgynevezett szálkötegmodell illusztrációja:  a vizsgált testet párhuzamos szálak kötegére bontják majd a szálakkal párhuzamosan terhelik.  A modellanyag attól volt heterogén, hogy a szálak teherbíró képessége véletlenszerű.

„Az anyagot mi úgy modelleztük, hogy párhuzamos szálak kötelékéből áll. Az anyagot, felbontjuk kis hasábokra, és úgy vesszük figyelembe a heterogeneitást, hogy az egyes kis hasábok teherbíró képessége egy véletlenszerű mennyiség. Ezt a kis szálköteget a szálakkal párhuzamosan terheltük, és figyeltük, hogy mi történik” – mondja a fizikus.

A kutatók alapvetően két repedést különböztetnek meg modelljükben. Makrorepedés: ez a végső nagy repedés, amikor összeomlik az egész test. A makroszkopikus törés az, amikor a rendszer megsemmisül, amikor egy olyan repedés keletkezik, amivel két darabra esik szét az egész, vagy összeomlik egy épület, vagy egy földrengéssorozatban bekövetkezik a főrengés.

A mikrorepedés: a makroszkopikusat megelőző repedezés. „Ha például egy papírt meghúznak, a papír szerkezete is rendezetlen, ezért meg lehet reppenteni egy kicsit, a kis repedést nagyobbak követik, és csak a végén szakad el az egész”.

Testemen a jel

„Mi azzal foglalkoztunk, hogy meg akartuk érteni ezeknek az akusztikus jeleknek, a repedési zajnak a statisztikus jellemzőit. A jelek egészének, az összes repedési esemény sokaságnak eloszlását vizsgáltuk, azt, ami a makroszkopikus törésig összegyűlik” − mondja Kun.

Egyetlen repedés növekedése a modellben: a repedés a bal oldali zöld területtel indult. Az egyes színes foltok a repedési lavinákat jelölik. Ezek a lavinák az akusztikus jelek, a repedési zaj forrásai. A képen az utolsó pillanat látható, innen már egyetlen reppenés is katasztrófához vezet.
Egyetlen repedés növekedése a modellben: a repedés a bal oldali zöld területtel indult. Az egyes színes foltok a repedési lavinákat jelölik. Ezek a lavinák az akusztikus jelek, a repedési zaj forrásai. A képen az utolsó pillanat látható, innen már egyetlen reppenés is katasztrófához vezet.

A kutatók emellett  arra voltak kíváncsiak, hogy milyen információ nyerhető ki abból, ha egyedi repedések hangjának belső szerkezetét, azaz a repedés fejlődését elemzik. Vizsgálatukban az átlagos jelalakot határozták meg, mivel egyetlen hangimpulzus jele sztochasztikus görbe (nagyjából véletlenszerű), ezért nehéz belőle bármire következtetni. A kutatók ezért inkább rögzített időtartamú jeleknek határozták meg az átlagos alakját. Ebből az átlagos jelalakból arra tudtak következtetni, hogy a reppenéseket követően a mechanikai feszültség hogyan rendeződött át az anyagban.

Ilyenek homogén anyagban nincsenek, egy kristályos anyagban nem lehetséges, hogy megreped, majd a repedés megáll, a rendszer pedig stabil marad. A homogén anyag katasztrofálisan reped, azaz az első repedés egyben az utolsó is, a rendszer össze is omlik.

Ha egy repedés egyszer elindult, egy szabályos szerkezetben nem tud megállni. A heterogén anyagok azért tudnak repedezni, nem egyszerűen csak eltörni, mert ha bennük elindul egy repedés, az meg is tud állni, amikor beérkezik egy erősebb helyre.

„Ha elképzel egy kristályt, amit húzófeszültségnek teszünk ki, akkor az történik, hogy stabil marad, teljesen normálisan viselkedik, úgy, mint egy nyújtott rugó. Egyszer csak, amikor már a rajta lévő erő akkora lesz, hogy két atomi síkot szét lehet húzni, akkor hirtelen összeomlik. Egy repedés ahogy létrejön, végig is rohan az egész testen, és kettétörik a test" – szemlélteti a jelenséget a fizikus.

Megérthetjük a földrengéseket

Kun Ferenc szerint az egész probléma, amivel foglalkoznak, kicsit távolabbról nézve arról szól, hogy egy szilárd test állandó vagy lassan változó terhelésnek van kitéve, amelynek hatására nagyon gyors, lavinaszerű események történnek: a repedések megállói a lavinák. A katasztrofális törés egyetlen nagy lavina, ami elsöpör mindent. A repedési zaj azt jelenti, hogy stabil lavinák vannak: létrejött egy lavina, haladt egy kicsit, okozott egy kis zajt, aztán megállt. Ha a terhelést tovább növeljük, akkor újra keletkezik egy ilyen lavina, okoz egy jelet, megáll, és így tovább.

„Amit mi vizsgáltunk, a repedési zaj, a jelenségek egyik nagy családjába tartozik, például idetartoznak a földrengések is. A földrengések kialakulásában ugyanez a dinamika játszik szerepet”. A Föld belsejében lévő magmaáramlás  egy lassú mechanikai hajtást jelent a kéreglemezeken, amelyek nagyon lassan mozognak, sebességük néhány centiméter per év. A törésvonalak mentén az egymáshoz nyomódó kéreglemezekben hatalmas mechanikai feszültség halmozódik fel.

„A földrengés gyakorlatilag semmi más, mint egy repedési lavina, amit mi is látunk a szilárdtest belsejében: az a mechanizmus, ahogy megszabadul a rendszer a felhalmozódott  feszültségtől. Azért vizsgáljuk igazából a repedési zajt szilárdtestekben, mert az ilyen lavinarelaxációval rendelkező rendszerek megértéséhez akarunk eljutni”. A kutatók szerint bár mostani kutatási eredményük elméleti jellegű, az eredmények kihasználhatóak anyagvizsgálati módszerekben, és segíthetik a makroszkopikus törés előrejelzését.