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帮助人类隐身的超材料据说也会克制地震

文:英国科学作家Tim Wogan

译:淼助

欧洲科学家最新研究表明,大规模使用可以减弱地震波的超材料防护系统,能让未来城市在破坏性地震中受到保护。该研究小组使用三维模型来展示防护系统的潜能,它是由挖入地面的空腔阵列组成的。

地震也许是所有自然灾害中最具灾难性的:它的死亡人数在灾害相关的死亡人数中占一半以上,如果地震发生在大的人口中心,还有可能造成数十亿英镑的财产损失。虽然大型建筑物和其他基础设施建设在设计建造时可以考虑抗震能力,但这往往对大地震不太有效,并且实施灾后重建也很困难,特别是对于一些历史性的建筑而言。

抑制地震波

替代性的方法,是在地震波到达高风险、建筑物较多的地方之前减弱地震波。这种方法的优点在于它可以直接被用来保护多个现有的建筑结构,而不需要对建筑物进行抗震加固。这可以通过使用以多种非常规方法操控地震波的超材料来实现。

比如之前有个研究,探讨超材料斗篷的潜能,据说可以用来转移建筑物周围的地震能量。

但是在最新的研究中,该研究论文的作者,来自于法国Le Havre大学Marco·Miniaci,和同事探索创造带隙的潜能——利用局域共振的声子晶体超材料在一定的频率范围内抑制地震波的传播。探索这种方法不同于以往的研究,他们使用了三维模型,把地下和地面的地震波以及在层状土壤中的耗散效应都计算在内了。

不同的形状

在他们的工作中,超材料的结构是由两到三排空腔或地上孔洞组成,有不同的形状和不同的填充物,放置在建筑物周围的方形阵列的防护体系中。该小组测试了三种不同类型空腔的有效性:一个十字形的空腔,一个中空的钢(也可以用混凝土作内衬)的圆柱体,还有一个有橡胶涂层的钢制圆柱体。

“确切的规格取决于土壤类型和防护体系的防护频率范围,” Miniaci解释说,并做了补充:“沙质土壤条件和低频地震应激条件下,空腔应内衬混凝土,以防止周围土体垮塌,它的宽度、间距和深度可以达到10米。

采用三腔型防护体系可以显著有效地衰减地下波和表面波——而十字型腔可以有效地减弱破坏性的地表震波。研究人员还建议,除了地震工程,他们阵列尺度的缩小版本,可以用来屏蔽其他形式的高频振动。比如有一种应用是可以在高铁线周围减弱振动;另外也可以创造改进爆炸保护。

强相互作用

没有参加这项研究的土耳其İnönü大学物理学家Bariş Baykant Alagöz说:“这一结果发展了被动的地震防护技术,前景看好”。西班牙瓦伦西亚Politécnica 大学的物理学家FranciscoMeseguer,也同意此观点。他也未参与此项研究,但他提醒说,不能以为减弱地震波的策略重点就只是在地表的地震波,要注意,“在由力学性能不同的材料组成的非均匀土壤里,体波和表面波在传播和蔓延时有强烈的相互作用,就像密度和体积常数一样。”

Meseguer也评论认为,防护体系的确在保护有一定共振响应的单体建筑上是有用的,但地震运动的波长范围比他们研究的声子带隙大得多。

Miniaci说,他们的初步研究已经完成,而发展地震防护概念的下一步研究,应该是加入地震与振动实验室的比例模型实验数据。

本文已取得转载编译授权。

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