Salıncağı yükselten şey kuvvetin büyüklüğü değil, zamanlaması
Salıncakta sallanan bir kişiye düzenli aralıklarla kuvvet uygulandığında salınım genliği artar. Küçük itişler, doğru anda geldiği için birikir. Aynı olay bir binada gerçekleşirse sonucu yıkım olabilir. Bu sayfada rezonans, deprem kavramları, büyüklük ve şiddet ölçekleri, sismograf ve sismik izolatör var.
Bir sisteme dışarıdan gelen titreşim veya dalgaların o sistemin doğal frekansındaki titreşim genliğini artırarak maksimum değere ulaştırmasına rezonans adı verilir.
Başka bir deyişle rezonans, bir maddenin doğal frekansına dışarıdan bir etki uygulandığında bu etkinin frekansı ile maddenin frekansının eşit olması sonucunda maddenin genliğinin sürekli artma eğilimi göstermesidir.
Önceki üniteden hatırla: doğal titreşim frekansı, cismin dış bir etki olmaksızın yaptığı salınımın frekansıydı. Rezonans, dışarıdan gelen etkinin frekansının tam da bu sayıya denk gelmesidir. Frekanslar tutmuyorsa itişler birbirini bozar; tutuyorsa üst üste biner.
Rezonans, sistemin dinamik özelliklerine bağlı olarak farklı etkiler meydana getirir. Bu nedenle rezonanstan çeşitli alanlarda yararlanılır. Rezonans olayı tıpta, elektronik devrelerde faydalı olabileceği gibi zararlı sonuçlar da oluşturabilir.
Örneğin bir köprüde rezonans oluşması hâlinde titreşimler yapının çökmesine neden olabilir. Bu nedenle rezonans, binaların, köprülerin veya diğer mühendislik yapılarının tasarımında dikkate alınır.
Kaydırakla dışarıdan gelen etkinin frekansını değiştir. Sistemin doğal frekansı sabit — sen ona yaklaştıkça genlik nasıl fırlıyor, izle.
Rezonans yalnız binalarda olmaz; titreşen her sistemde olur. Aşağıdaki tabloda tür ve örnekleri birlikte var.
Yer kabuğundaki hareketlerin meydana getirdiği enerjinin boşalmasıyla oluşan sarsıntılar sonucunda deprem dalgaları meydana gelir. Deprem dalgalarına sismik dalgalar da denir.
Deprem dalgaları, enerjiyi kaynağından çevreye doğru ileterek yüzeyde hissedilen sarsıntılara yol açabilir.
Yer kabuğundaki levhaların hareketleri sonucunda açığa çıkan enerjinin kayaçlarda oluşturduğu kırılma hatlarına fay hattı adı verilir.
Mekanik dalga çeşitlerinden olan deprem dalgaları hem enine hem de boyuna yayılabilen dalgalardır.
Depremin odak noktası, yerin altında kırılmanın gerçekleştiği noktadır. Odak noktası, depremin enerji salınımının başladığı yer olarak tanımlanır.
Bu nokta, depremin büyüklüğü ve şiddeti üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yüzeydeki etkiler, odak derinliğine bağlı olarak değişir.
Depremin yer yüzeyindeki en yüksek sarsıntı seviyesinin meydana geldiği nokta, depremin merkez üssü olarak adlandırılır. Diğer bir deyişle depremin başladığı yerin (odak noktası) yüzeye en yakın noktasıdır.
Merkez üssü, depremin etkilerinin en yoğun hissedildiği yerdir ve coğrafi koordinatlarla tanımlanır.
Kaydırakla odak derinliğini değiştir: merkez üssü hep odağın tam üstünde kalır, ama yüzeydeki sarsıntının şiddeti derinlikle değişir.
Depremin büyüklüğü, bir depremin yer yüzeyinde oluşturduğu sarsıntının enerji salınımını ifade eder ve genellikle Richter (Rihter) ölçeği kullanılarak ölçülür.
Richter ölçeği, meydana gelen depremin sayısal olarak kıyaslanabilmesi için depremin kaynağında ortaya çıkan toplam enerji miktarını ölçen bir derecelendirme türüdür. 1-9 arası rakam ile ifade edilir.
Depremin büyüklüğü; depremin derinliği, merkez üssü ve fayın özelliklerine bağlı olarak değişir.
Büyüklük tek bir sayıdır: aynı deprem için nerede olursan ol aynıdır, çünkü kaynaktaki enerjiyi ölçer.
Depremin şiddeti, bir depremin yer yüzeyinde neden olduğu sarsıntının hissedilme derecesini ve etkilerini tanımlar.
Depremin odak noktasına olan uzaklığı, zemin koşulları ve yapıların dayanıklılığı gibi faktörler depremin şiddetini belirler.
Binaların, köprülerin ve altyapının ne kadar etkilendiği ile ilişkili olan depremin şiddeti; hafif hasar, orta hasar veya yıkım gibi farklı seviyelerde değerlendirilebilir. Şiddetin seviyesi, insanların psikolojik ve sosyal durumları üzerinde de etkili olabilir.
Depremin şiddeti, genellikle Değiştirilmiş Mercalli (Merkali) Şiddet Ölçeği (MMI) ile ölçülerek I’den XII’ye kadar derecelendirilir.
Şiddet yere göre değişir: aynı deprem bir ilçede VI, komşu ilçede VIII olabilir.
Amerikalı bir sismolog ve fizikçi olan Charles Francis Richter (Çarls Frensis Rihter), Kaliforniya Teknoloji Enstitüsünde kuramsal fizik alanında doktora yapıp sismoloji alanında çalışmaya başlar. Daha sonra Beno Gutenberg başkanlığında Pasadena şehrinde sismoloji alanında bir laboratuvar açarak çalışmalarına burada devam eder.
Richter ve Gutenberg 1932’de deprem kaynaklarının göreli boyutlarını ölçmeye yönelik standart bir ölçek geliştirir ve bu ölçeğe 1937’de “Richter ölçeği” adını verirler. Richter’in yaşadığı yıllar: 1900-1985.
Dünya çapında her yıl kaç deprem oluyor? Sayıya bak: büyüklük bir kademe artınca deprem sayısı yaklaşık onda bire düşüyor.
Her bir derece belirli tanımlama ve etkilerle ilişkilidir. Arama kutusuna “yıkım”, “bina”, “hissetme” gibi bir sözcük yaz.
Rezonans ve deprem arasındaki ilişki, yapıların doğal frekansı ile depremin oluşturduğu titreşimin frekansının uyumlu olması durumunda ortaya çıkar.
Her yapı, zemin koşullarına ve yapısal özelliklerine bağlı olarak bir doğal frekansa sahiptir. Deprem dalgasının frekansı bu frekansa uyum sağladığında rezonans meydana gelir. Bu durum binaların daha büyük genlikle salınım yapmasına dolayısıyla hasar görmesine hatta çökmesine neden olabilir.
Bu nedenle inşaat mühendisleri, binaların tasarımında rezonans etkilerini göz önünde bulundurarak depreme dayanıklı yapılar oluşturmayı hedefler.
Zeminlerin farklı fiziksel özelliklerinin rezonansa etkisi de farklılık gösterir. Frekansı yüksek olan sert ve homojen kaya zeminler deprem dalgalarını daha az iletir. Yumuşak ve heterojen yapılarda rezonans frekansları düşüktür.
Yumuşak zemin düşük frekanslı sarsıntı üretir. Yüksek katlı binaların doğal frekansı da düşüktür (uzun sarkaç gibi ağır ağır salınırlar). İkisi buluşunca rezonans olur — bu yüzden yumuşak zemindeki yüksek binalar özel risk taşır.
Zemini ve bina yüksekliğini seç: hangi eşleşmede rezonans oluşuyor, kendin gör.
Deprem ve yer hareketlerini inceleyerek bu konuda çalışmalar yapan bilim dalına sismoloji veya deprem bilimi denir. Sismoloji alanında çalışan bilim insanlarına ise sismolog (deprem bilimci) adı verilir.
Depremler yerin derinliklerinde meydana gelir ve bu nedenle doğrudan ölçülemez. Yer sarsıntılarının ivmelerini (veya yer değiştirmelerini) zaman ile ilişkilendirerek kaydeden cihaza sismograf (depremyazar, depremölçer), sismograflar tarafından yapılan kayda ise sismogram denir.
En basit sismograf türü bir ucu sabitlenmiş, diğer ucunda bir kayıt kalemi bulunan, yay ile desteklenmiş ağırlıklı bir çubuktan oluşur. Herhangi bir sarsıntı anında üzerindeki ağırlık sabit kaldığı için çubuğun diğer bölümleri salınır. Kayıt kalemi, saat ibresi yönünde ağır ağır dönen bir silindirin üzerinde sarsıntıları tespit eder.
Kayıt cihazı, sismik dalgaların şeklini ve genliğini bir kâğıda ya da dijital dosyaya kaydeder.
Aşağıdaki canlandırmada zemin sarsılıyor. Kalem hareket etmiyor — hareket eden kâğıt. Sismogramın nasıl oluştuğu tam olarak budur.
Bu bilgiler, depremlere karşı hazırlıklı olunmasını sağlar ve can kayıplarının en aza indirilmesine yardımcı olur. Deprem erken uyarı sistemleri, sismik dalgalar henüz yer yüzeyine ulaşmadan önce insanları uyarmak için sismograflardan alınan verileri kullanır.
Türkiye’de Boğaziçi Üniversitesi Kandilli Rasathanesi ve Deprem Araştırma Enstitüsü ile AFAD (Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı) depremlerle ilgili bilgi veren kurumlardır.
Kandilli Rasathanesi deprem hareketlerini izlemek için sismik kayıt yapan cihazlarla kurulu bir ağa sahiptir. Benzer şekilde AFAD’ın da bir ağı bulunmaktadır. Bu ağ, fay yakınlarına yerleştirilen sismograflardan oluşmaktadır.
Birçok farklı istasyondan gelen veriler bu merkezlerde toplanarak depremin merkez üssü, odak derinliği, büyüklüğü gibi birçok parametrenin belirlenmesinde kullanılır.
Deprem doğa kaynaklı bir afet olduğundan depremin önceden bilinmesi ve engellenmesi mümkün değildir. Mühendisler, depreme dirençli yaşam alanları tasarlayarak olası bir depremde meydana gelecek can ve mal kaybını en aza indirmeyi amaçlar.
Sismik izolatörler, depremlerin olumsuz etkilerini azaltmak ve yapıların dayanıklılığını artırmak için geliştirilmiş bir teknolojidir. Sismik izolatör kullanılan binalarda orta şiddetli depremler sonucunda meydana gelebilecek hasarların engellendiği ve şiddetli depremlerle ortaya çıkabilecek hasarların ise en düşük seviyeye indirildiği görülmüştür.
Sismik izolatörler, binanın temeli ile üst kısmının arasına yerleştirilerek esnek bir yapı oluşturulur. Bu yapı, binayı iki parçaya ayırarak depremin dinamik yüklerinin üst yapıya daha az iletilmesini sağlar.
Dikdörtgen ve daire şeklinde olan izolatörler, kauçuk ve metal plakaların birbirine bütünleştirilmesi ile oluşturulur. Sismik izolatörler, yatay yönde esnekliği yüksek olan kauçuk ve düşey yönde dayanımı fazla olan metal plakalar kullanılarak üretilmektedir.
Metal plaka, binanın ağırlığını taşırken kauçuk plaka deprem dalgalarının şiddetini azaltmaktadır.
Yaygın olarak kullanılmaya başlanan sismik izolatörler, binaların temeline veya bodrum katına yerleştirilir. Bu izolatörler sayesinde depremin enerjisinin bir kısmı sönümlenerek üst yapının sadece küçük salınımlar yapması sağlanır. Böylece binanın yapı güvenliği artar.
Sismik izolatörler özellikle büyük yapılar, hastaneler, müzeler, köprüler, kamu binaları gibi önemli yapılarda tercih edilmektedir.
Neden özellikle hastaneler? Çünkü depremden sonra ayakta kalması en kritik yapı odur.
İki nokta veya cisim arasındaki yer değiştirme farkına göreli yer değiştirme adı verilir. Başka bir deyişle göreli yer değiştirme, bir cismin son konumu ile ilk konumu arasındaki farkın başka bir cismin veya noktanın hareketine göre değerlendirilmesidir. Kısaca ifade etmek gerekirse göreli yer değiştirme, bir cismin belirlenen referans noktasına göre yaptığı hareketin ölçüsüdür.
Deprem sırasında geleneksel bir binanın katları arasındaki göreli yer değiştirme miktarı oldukça fazladır. Yatay doğrultudaki yüksek göreli yer değiştirme, binaların zarar görmesine neden olur. Bu nedenle katlar arasındaki yer değiştirme miktarı izolatör kullanılarak azaltılabilir ve binanın hasar görme riski en aza indirilebilir.
İki bina, aynı sarsıntı. Soldakinin temelinde izolatör yok, sağdakinde var. Katların birbirine göre ne kadar kaydığına bak.
1985 yılında Meksika’nın başkenti Mexico City’den 320 km uzaklıktaki Oaxaca kıyıları açıklarında 8,1 büyüklüğünde bir deprem meydana gelmiştir. Mexico City depremin merkez üssüne çok uzak olmasına rağmen deprem şehirde büyük bir yıkıma neden olmuştur. Şehirdeki yüksek katlı binalar ciddi şekilde hasar görmüş veya tamamen yıkılmıştır. Mexico City’nin büyük ölçüde göl tabanına kurulmuş olması, sismik dalgaların çok daha kuvvetli bir şekilde iletilmesine yol açarak yüksek binaların temellerini zayıflatmıştır.
a) Zemin titreşimlerinin rezonansla ilişkisi nedir?
Binaların doğal titreşim frekansının zeminden gelen sismik dalgaların frekansı ile
örtüşmesi durumunda rezonans olayı meydana gelir. Mexico City’nin göl tabanı, suya doymuş
yumuşak zemin olduğundan sismik dalgaları düşük frekansta titreştirir ve bu durum rezonans
riskini artırır. Zemin dalgaları ile bina arasındaki frekans uyumu, deprem esnasında
binaların titreşimlerinin artmasına ve binaların aşırı sarsılmasına neden olmuştur. Bu
sarsılmalar yüksek katlı binaların rezonans sebebiyle çökmesine yol açmıştır.
b) Rezonansın farklı zemin türleri üzerindeki etkisi nedir?
Zeminlerin farklı fiziksel özelliklerinin rezonansa etkisi de farklılık gösterir. Frekansı
yüksek olan sert ve homojen kaya zeminler deprem dalgalarını daha az iletir. Yumuşak ve
heterojen yapılarda rezonans frekansları düşüktür.
Bu örnek, “merkez üssüne uzak olmak güvenli olmak demek değildir” cümlesinin en net kanıtıdır. 320 km uzaklık, uygun olmayan zeminin etkisini silmemiştir.
Bir bölgede D ilçesinde meydana gelen depremin etkisi ilçelere göre değişiyor. İlçelerde ölçülen değerler: A: 6,5 · B: 6,6 · C: 7,6 · D: 7,7.
a) A ve C ilçelerinde ölçülen büyüklükler neden farklı?
Depremin büyüklüğü kaynakta açığa çıkan enerjinin ölçüsüdür ve tek bir sayıdır;
farklı istasyonlarda okunan değerlerin birbirinden az da olsa farklı çıkması ölçüm
koşullarından kaynaklanır: istasyonun merkez üssüne uzaklığı, zemin koşulları ve
cihazın kaydettiği dalga türü değerleri etkiler. Bu yüzden nihai büyüklük, birçok
istasyondan gelen veriler bir merkezde toplanarak belirlenir.
b) D ve B ilçelerinde depremin farklı hissedilmesi hangi kavramla
ilgilidir?
Depremin şiddetiyle. Depremin şiddeti; depremin büyüklüğüne, odak derinliğine,
yapıların dayanıklılığına bağlı olarak değişiklik gösterir. Aynı deprem, iki ilçede farklı
şiddette hissedilir.
c) Odak noktası daha derinde olsaydı ne olurdu?
Enerji yüzeye ulaşana kadar daha uzun bir yol kat edeceği için yüzeydeki sarsıntı
daha zayıf olur; yıkım etkisi azalır ama daha geniş bir alana yayılır.
Yüzeydeki etkiler, odak derinliğine bağlı olarak değişir.
Optik rezonans ise ışık dalgalarıyla ilgilidir.
Sismik boşluklar, geçmişte büyük depremler geçirmiş ancak son yıllarda deprem meydana gelmemiş bölgeleri ve gelecekte meydana gelebilecek büyük depremlerin yerlerini tahmin etmede yardımcı olur. Sismik boşluklar, deprem tahminleri ve risk yönetimi açısından önemli bir rol oynar.
a) Deprem tehlike haritasındaki yüksek riskli bölgeler genellikle aktif fay hatları üzerindedir; sismik boşluklar da bu hatların uzun süredir enerji boşaltmamış parçalarıdır. Yani ikisi aynı fay sistemini gösterir: biri riski, öteki riskin nerede biriktiğini.
b) Geçmiş depremlerin yeri, büyüklüğü ve tarihi bilinirse fayın hangi parçasının ne zaman kırıldığı çıkarılabilir; kırılmayan parça sismik boşluk olarak işaretlenir.
c) Yerel yönetimler bu bilgiyi zemin etüdü zorunluluğu, yapı denetimi, toplanma alanı planlaması ve kentsel dönüşüm önceliği için kullanır.
Günlük hayatta elektriksel ve sismik izolatörler, çevrelerinden gelen dış etkilere karşı yapılara koruma sağlar. Karşılaştır:
Çözüm: Her iki izolatör türü de dışsal etkilere karşı koruma sağlama işlevini benzer şekilde yerine getirir. Ortak özellikleri, her iki türün de enerji iletimini kontrol etmesi ve koruma sağlamasıdır. Elektriksel izolatörler elektriksel güvenliği sağlarken sismik izolatörler binaların yapısal güvenliğini artırır. Bu iki izolatör türü, farklı dış etkilerle başa çıkmak için kullanılır ve farklı teknik özelliklere sahip malzemelerle üretilir.
Rastgele bir tanım ya da durum gelir; doğru kavramı seçersin. Yanlışta gerekçe hemen görünür.
Arkadaşın seni iterken ne kadar güçlü ittiği değil, ne zaman ittiği önemlidir. Salıncağın kendi periyoduna uyan küçük itişler birikir ve genlik artar. Rastgele itişler ise birbirini bozar. Bu, rezonansın en basit örneğidir.
Bluetooth hoparlörü masaya koyup bas sesini açtığında masanın belirli notalarda zangırdadığını duyarsın. Masanın (ya da üstündeki kalemliğin) doğal frekansı o notaya denk geldiğinde mekanik rezonans oluşur — sadece o notada, ötekilerde değil.
Okul servisinin camı belirli bir hızda daha çok titrer, hızlanınca titreme kesilir. Hareket eden arabanın bazı sürat değerlerinde daha çok titreşmesi mekanik rezonanstır: motorun o hızdaki titreşim frekansı camın doğal frekansına denk gelir.
Evde yemeği ısıtan fırın, su moleküllerini doğal frekansında titreştirerek çalışır. Molekülleri hızlandıran şey ısı değil rezonanstır; ısı bunun sonucudur. Bu yüzden fırın sulu yiyecekleri hızlı, kuru olanları yavaş ısıtır.
Maratonlarda sporcuların köprüden geçerken aynı ritimle koşması ya da yürümesi köprüde rezonans oluşturabilir; bir köprüde rezonans oluşması hâlinde titreşimler yapının çökmesine neden olabilir. Askerlerin köprüde adım kırmasının sebebi budur.
Arabada radyo düğmesini çevirmek, alıcı devrenin frekansını istasyonun frekansına eşitlemektir. Eşitlendiği anda elektriksel rezonans oluşur ve o istasyon duyulur. Aynı anda yüzlerce sinyal antende olsa da yalnız frekansı tutan güçlenir.
Manyetik rezonans cihazları atom çekirdekleri ile rezonansa girerek görüntüleme yapar — adı zaten olayın kendisidir: nükleer rezonans. Diz sakatlığında röntgen değil MR isteniyorsa sebebi, MR’ın yumuşak dokuyu gösterebilmesidir.
Deprem erken uyarı sistemleri, sismik dalgalar henüz yer yüzeyine ulaşmadan önce insanları uyarmak için sismograflardan alınan verileri kullanır. Fay yakınındaki sismograf sarsıntıyı saniyeler önce yakalar ve uyarı, ışık hızıyla giden bir sinyalle deprem dalgasından önce telefonuna ulaşır.
Sismik izolatörler özellikle büyük yapılar, hastaneler, müzeler, köprüler, kamu binaları gibi önemli yapılarda tercih edilmektedir. Bir binanın temelinde kauçuk-metal katmanlar varsa deprem sırasında zemin kayar, bina yerinde kalmaya çalışır. Okulunun deprem tatbikatı da aynı hazırlığın öteki yarısıdır.
Rezonans, deprem kavramları, büyüklük ve şiddet ölçekleri, sismograf ve sismik izolatör üzerine test
Bir sisteme dışarıdan gelen titreşim veya dalgaların o sistemin doğal frekansındaki titreşim genliğini artırarak maksimum değere ulaştırmasına rezonans denir.
Kısaca: bir sistemin dışarıdan gelen bir titreşim veya dalga ile aynı frekansta titreşmeye başlaması durumudur.
Tıpta ve elektronik devrelerde faydalı olabileceği gibi zararlı sonuçlar da oluşturabilir; köprüde oluşursa yapının çökmesine neden olabilir.
Yer kabuğundaki hareketlerin meydana getirdiği enerjinin boşalmasıyla oluşan sarsıntılar sonucunda deprem dalgaları meydana gelir; bunlara sismik dalgalar da denir.
Deprem dalgaları mekanik dalgadır ve hem enine hem de boyuna yayılabilir.
Fay hattı: yer kabuğundaki levhaların hareketleri sonucunda açığa çıkan enerjinin kayaçlarda oluşturduğu kırılma hatları.
Odak noktası: yerin altında kırılmanın gerçekleştiği, enerji salınımının başladığı nokta.
Merkez üssü: odak noktasının yüzeye en yakın noktası; yer yüzeyinde en yüksek sarsıntının olduğu yer, coğrafi koordinatlarla tanımlanır.
Yüzeydeki etkiler odak derinliğine bağlı olarak değişir.
Büyüklük: depremin kaynağında ortaya çıkan toplam enerji; Richter ölçeği, 1-9 arası rakam. Depremin derinliği, merkez üssü ve fayın özelliklerine bağlı olarak değişir.
Şiddet: yer yüzeyinde oluşan sarsıntının hissedilme derecesi ve etkileri; Değiştirilmiş Mercalli Şiddet Ölçeği (MMI), I-XII. Odak noktasına uzaklık, zemin koşulları ve yapıların dayanıklılığı belirler.
Büyüklük tek sayıdır, şiddet yere göre değişir.
Yer sarsıntılarının ivmelerini (veya yer değiştirmelerini) zaman ile ilişkilendirerek kaydeden cihaza sismograf, yapılan kayda ise sismogram denir.
Sarsıntı anında ağırlık sabit kaldığı için çubuğun diğer bölümleri salınır; kalem, dönen silindir üzerine çizer.
Türkiye’de Kandilli Rasathanesi ve AFAD fay yakınlarına yerleştirilen sismograf ağlarıyla merkez üssü, odak derinliği ve büyüklüğü belirler. Sismoloji deprem bilimi, çalışanı sismologtur.
Binanın temeli ile üst kısmının arasına yerleştirilerek esnek bir yapı oluşturur; binayı iki parçaya ayırarak depremin dinamik yüklerinin üst yapıya daha az iletilmesini sağlar.
Kauçuk yatay yönde esnektir ve deprem dalgalarının şiddetini azaltır; metal plaka düşey yönde dayanıklıdır ve binanın ağırlığını taşır.
Göreli yer değiştirme: iki nokta veya cisim arasındaki yer değiştirme farkı. Geleneksel binada katlar arası göreli yer değiştirme fazladır; izolatör bunu azaltır.