Un metamaterial sísmico , es un metamaterial que está diseñado para contrarrestar los efectos adversos de las ondas sísmicas en las estructuras artificiales, que existen en o cerca de la superficie de la tierra. [1] [2] [3] Los diseños actuales de metamateriales sísmicos utilizan configuraciones de perforaciones, [4] árboles [5] [6]o resonadores subterráneos propuestos para actuar como un material a gran escala. Los experimentos han observado reflejos y atenuación de banda prohibida de ondas sísmicas inducidas artificialmente. Estos son los primeros experimentos para verificar que los metamateriales sísmicos se pueden medir para frecuencias por debajo de 100 Hz, donde el daño de las ondas de Rayleigh es más dañino para las estructuras artificiales.
La mecánica de las ondas sísmicas.
Cada año, un sistema mundial de estaciones de detección de terremotos registra más de un millón de terremotos . La velocidad de propagación de las ondas sísmicas depende de la densidad y elasticidad de los materiales terrestres. En otras palabras, las velocidades de las ondas sísmicas varían a medida que viajan a través de diferentes materiales en la tierra . Los dos componentes principales de un evento sísmico son las ondas corporales y las ondas superficiales . Ambos tienen diferentes modos de propagación de ondas. [7]
Hacia el encubrimiento sísmico
Los cálculos mostraron que las ondas sísmicas que viajan hacia un edificio podrían dirigirse alrededor del edificio, dejando el edificio ileso, mediante el uso de metamateriales sísmicos . Las longitudes de onda muy largas de las ondas sísmicas se acortarían a medida que interactúan con los metamateriales ; las ondas pasarían alrededor del edificio para llegar en fase a medida que avanzaba la onda del terremoto, como si el edificio no estuviera allí. Los modelos matemáticos producen el patrón regular proporcionado por el camuflaje de metamateriales . Este método se entendía primero con metamateriales de camuflaje electromagnéticas - la electromagnética de energía está en efecto dirigido alrededor de un objeto, o agujero, y la protección de edificios de ondas sísmicas emplea este mismo principio. [1] [2]
Los resonadores de anillo dividido hechos con polímeros gigantes combinados con otros metamateriales están diseñados para acoplarse a la longitud de onda sísmica . Se apilarían capas concéntricas de este material, cada capa separada por un medio elástico . El diseño que funcionó son diez capas de seis materiales diferentes, que se pueden implementar fácilmente en los cimientos de los edificios. A partir de 2009, el proyecto aún se encuentra en la etapa de diseño. [1] [2]
Principios de encubrimiento electromagnético para metamateriales sísmicos
Para que los metamateriales sísmicos protejan las estructuras de la superficie, la propuesta incluye una estructura en capas de metamateriales, separados por placas elásticas en una configuración cilíndrica . Una simulación previa mostró que es posible crear un ocultamiento de la radiación electromagnética con capas alternas concéntricas de metamateriales electromagnéticos. Ese estudio contrasta con el ocultamiento por inclusiones en un resonador de anillo dividido diseñado como un metamaterial anisotrópico . [8]
La configuración puede verse como capas alternas de " material dieléctrico isotrópico homogéneo " A. con " material dieléctrico isotrópico homogéneo " B. Cada material dieléctrico es mucho más delgado que la longitud de onda radiada. En conjunto, dicha estructura es un medio anisotrópico. Los materiales dieléctricos en capas rodean un "cilindro conductor infinito". Los materiales dieléctricos estratificados se irradian hacia afuera, de forma concéntrica, y el cilindro está revestido en la primera capa. Las otras capas se alternan y rodean la capa anterior hasta la primera capa. Se calculó y simuló la dispersión de ondas electromagnéticas para la estructura en capas (metamaterial) y el metamaterial anistrópico del resonador de anillo dividido, para mostrar la efectividad del metamaterial en capas. [8]
Principios de encubrimiento acústico para metamateriales sísmicos
La teoría y el desarrollo último del metamaterial sísmico se basa en las transformaciones de coordenadas logradas al ocultar un pequeño objeto cilíndrico con ondas electromagnéticas . A esto le siguió un análisis del encubrimiento acústico y si las transformaciones de coordenadas podrían aplicarse o no a materiales acústicos fabricados artificialmente . [3]
La aplicación de los conceptos utilizados para comprender los materiales electromagnéticos a las propiedades de los materiales en otros sistemas muestra que son muy análogos. El vector de onda , la impedancia de onda y la dirección del flujo de energía son universales. Al comprender cómo la permitividad y la permeabilidad controlan estos componentes de la propagación de ondas , se pueden utilizar analogías aplicables para otras interacciones de materiales. [9]
En la mayoría de los casos, no es posible aplicar la transformación de coordenadas a medios elásticos artificiales diseñados . Sin embargo, existe al menos un caso especial en el que existe una equivalencia directa entre electromagnética y elastodinámica . Además, este caso parece útil en la práctica. En dos dimensiones, los medios acústicos isotrópicos y los medios electromagnéticos isotrópicos son exactamente equivalentes. En estas condiciones, la característica isotrópica también funciona en medios anisotrópicos . [9]
Se ha demostrado matemáticamente que las ecuaciones de Maxwell 2D con incidencia normal se aplican a las ecuaciones acústicas 2D cuando se reemplazan los parámetros electromagnéticos con los siguientes parámetros acústicos: presión , velocidad vectorial del fluido , densidad de masa del fluido y módulo de volumen del fluido . Las soluciones de ondas compresionales utilizadas en el camuflaje electromagnético se transfieren a soluciones fluídicas de material donde el movimiento del fluido es paralelo al vector de onda. Luego, los cálculos muestran que las transformaciones de coordenadas se pueden aplicar a los medios acústicos cuando se restringen a la incidencia normal en dos dimensiones. [9]
A continuación, se hace referencia al caparazón de camuflaje electromagnético como una equivalencia exacta para una demostración simulada del caparazón de camuflaje acústico. El módulo de masa y la densidad de masa determinan las dimensiones espaciales de la capa, que puede doblar cualquier onda incidente alrededor del centro de la capa. En una simulación con condiciones perfectas, debido a que es más fácil demostrar los principios involucrados, no hay dispersión en ninguna dirección. [9]
El manto sísmico
Sin embargo, se puede demostrar mediante el cálculo y la simulación visual que, de hecho, las ondas están dispersas alrededor de la ubicación del edificio. Se muestra que el rango de frecuencia de esta capacidad no tiene limitación con respecto a la frecuencia radiada . El manto en sí no demuestra dispersión hacia adelante o hacia atrás , por lo tanto, el manto sísmico se convierte en un medio eficaz. [3]
Experimentos de metamateriales sísmicos
En 2012, los investigadores llevaron a cabo una prueba de campo experimental en Francia, con el objetivo de resaltar la analogía con el cristal fonónico. [4]
Ver también
- Metamateriales de índice negativo
- Antenas de metamaterial
- Cristal fotónico
- Superlentes
- Resonador de anillo partido
- Metamateriales de terahercios
- Metamateriales ajustables
- Metamateriales fotónicos
Propiedades materiales
- Dispersión acústica
- Módulo de volumen
- Ecuación constitutiva
- Onda elástica
- Ecuación de estado
- Elasticidad lineal
- Permeabilidad
- Permitividad
- Estrés (mecánica)
- Estado termodinámico
Referencias
- ↑ a b c Johnson, R. Colin (23 de julio de 2009). "La capa de metamaterial podría hacer que los edificios sean 'invisibles' a los terremotos" . EETimes.com . Consultado el 9 de septiembre de 2009 .
- ^ a b c Barras, Colin (26 de junio de 2009). "La capa de invisibilidad podría ocultar los edificios de los terremotos" . Nuevo científico . Consultado el 20 de octubre de 2009 .
- ^ a b c Brun, M .; S. Guenneau; y AB Movchan (9 de febrero de 2009). "Lograr el control de las ondas elásticas en el plano". Apl. Phys. Lett . 94 (61903): 061903. arXiv : 0812.0912 . Código Bibliográfico : 2009ApPhL..94f1903B . doi : 10.1063 / 1.3068491 . S2CID 17568906 .
- ^ a b Brûlé, S .; Javelaud, EH; Enoch, S .; Guenneau, S. (31 de marzo de 2014). "Experimentos sobre metamateriales sísmicos: moldeo de ondas superficiales" . Cartas de revisión física . 112 (13): 133901. Bibcode : 2014PhRvL.112m3901B . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.133901 . PMID 24745420 .
- ^ Colombi, A .; Roux, P; Guenneau, S .; Gueguen, P .; Craster, R. (11 de enero de 2016). "Los bosques como un metamaterial sísmico natural: bandgaps de ondas de Rayleigh inducidos por resonancias locales" . Naturaleza . 6 (19238): 19238. Código Bibliográfico : 2016NatSR ... 619238C . doi : 10.1038 / srep19238 . PMC 4707539 . PMID 26750489 .
- ^ Roux, P .; Bindi, D; Boxberger, T .; Colombi, A .; Algodón, F .; Douste ‐ Bacque, I .; Garambois, S .; Gueguen, P .; Hillers, G .; Hollis, D .; Lecocq, T .; Pondaven, I. (1 de marzo de 2018). "Hacia metamateriales sísmicos: el proyecto METAFORET". Cartas de investigación sismológica . 89 (2A): 582–593. doi : 10.1785 / 0220170196 .
- ^ Krebs, Robert E. (2003). Los fundamentos de las ciencias de la tierra . Westport, CT, EE.UU .: Greenwood Publishing Group, Incorporated. págs. 32–33. ISBN 978-0-313-31930-3.
- ^ a b Huang, Ying; Feng, Y; Jiang, T (21 de agosto de 2007). "Encubrimiento electromagnético por estructura en capas de materiales isotrópicos homogéneos". Optics Express . 15 (18): 11133-11141. arXiv : 0709.0363 . Código Bibliográfico : 2007OExpr..1511133H . doi : 10.1364 / OE.15.011133 . PMID 19547468 . S2CID 15547562 .
- ^ a b c d Cummer, Steven A; David Schurig (2 de marzo de 2007). "Un camino hacia el camuflaje acústico" . Nueva Revista de Física . 9 (3): 45. Bibcode : 2007NJPh .... 9 ... 45C . doi : 10.1088 / 1367-2630 / 9/3/045 .