Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" и группа исследователей-математиков из английского Килского университета под руководством приглашенного профессора Юлия Каплунова в рамках совместного проекта изучают перспективы создания специальных геоматериалов, способных в буквальном смысле делать невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены.
Учеными разработан уникальный математический аппарат, позволяющий эффективно исследовать выявленную профессором Каплуновым волну – первопричину разрушений на поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней. Задача объединенных групп – определение наилучшего материала для успешной реализации проекта.
"Сама по себе идея создания мантии-невидимки для сооружений не нова: над этим работают научные группы в Манчестере, Марселе и в ряде других университетов. Наши исследования показывают, что проблема требует более глубокой теоретической проработки. В настоящее время предпринимаются попытки найти универсальный подход, обеспечивающий защиту от всех видов волн, порождаемых активностью Земли, что осложняет поиск нужного материала", – заявил Каплунов.
Подход российских ученых примечателен тем, что они изначально поставили перед собой цель понять все первопричины разрушений, вызываемых землетрясениями, а также найти эффективные методы борьбы с ними. Была проведена аналогия между поверхностными волнами, возбуждаемыми при землетрясениях, и световыми волнами. В частности, установлено, что из всех видов сейсмических волн, инициируемых подземными толчками, теоретические и экспериментальные усилия необходимо сосредоточить на изучении поверхностных волн Релея, которые и вызывают наибольшие разрушения.
Кроме того, ученые смогли показать, что волна Релея описывается почти такими же соотношениями, как и оптические волны. Явления, на первый взгляд, разные, но математическая модель у них одинаковая. Смысл в том, что, как и в оптике, при землетрясении приходится иметь дело с волной, только при колебаниях земли это волна упругая, а при анализе невидимых тел – волна света.
"Задача, которую нам предстоит решить, это поиск подходящего метаматериала, который мог бы послужить основой для проектирования защитных конструкций. При взаимодействии с такой конструкцией волны Релея будут попросту изгибаться в стороны, не повреждая защищаемого сооружения. Такие метаматериалы в принципе уже существуют, например на основе меди", – уверяет Каплунов.
Разработанный учеными аппарат использует современные математические методы механики, включая метод возмущений и теорию дифференциальных уравнений в частных производных. На его разработку ушло около десяти лет.
Отметим, что разработка подобных защитных конструкций будет особенно актуальна для регионов с сейсмической активностью, например для Дальнего Востока, а также для Новой Зеландии, Японии, Китая, ряда стран Европы и Южной Америки.