Similaridades entre terremotos e ruídos crepitantes em carvão e folhas plásticas

Abstract

Resumo: Neste trabalho, apresentaremos dois estudos sobre emissões acústicas em sistemas que produzem ruídos crepitantes: carvão vegetal umedecido em etanol e folhas plásticas amassadas. Nosso estudo visa a encontrar similaridades estatísticas entre a dinâmica desses sistemas e a atividade sísmica da Terra. Para buscar um paralelo mais completo, revisitamos as principais leis sísmicas que regem a estatística de terremotos; revisamos especificamente: a Lei de Gutenberg-Richter, a qual descreve a distribuição de probabilidade das magnitudes de terremotos; a Lei de Omori, que trata da dinâmica de ocorrência de tremores secundários (ou aftershocks) após um grande terremoto (ou mainshock); as leis relacionadas às distribuições de probabilidade dos tempos entre um terremoto e outro; a Lei de Produtividade, que relaciona a energia do tremor principal (mainshock) com o número de tremores secundários que são desencadeados; e, finalmente, a Lei de Båth, a qual afirma que a diferença entre a magnitude de um mainshock e o seu maior aftershock é, em média, 1;2. Com enfoque nessas cinco leis, analisamos os padrões estatísticos de emissões acústicas produzidas por carvão vegetal. Mostramos que amostras de carvão umedecidas com etanol emitem ruídos crepitantes devido ao aumento da pressão interna causada pela evaporação do etanol. Similarmente, buscamos caracterizar as principais leis sísmicas nos ruídos crepitantes emitidos ao longo do processo de relaxação de folhas plásticas amassadas. Verificamos que os dois sistemas apresentam grandes similaridades com as atividades sísmicas terrestres. Em muitos casos, uma similaridade quantitativa pode ser observada e, em alguns casos, discrepâncias foram observadas e relacionadas às condições físicas dos processos em investigação.

Abstract: We present two studies about the acoustic emissions in systems that produce crackling noise: charcoal and crumpled plastic sheets. The aim of our studies is finding statistical similarities between the dynamics of these systems and the seismic activity of Earth. In order to achieve a complete parallel, we revisited the most important seismic laws that rule the statistics of earthquakes; specifically, we review: the Gutenberg-Richter law, that describes the probability distributions of earthquake magnitudes; Omori's Law, that explains the occurrence of secondary earthquakes (aftershocks) after an intense earthquake (mainshock); the laws related to the probability distribution of time interval between earthquakes; the Productivity Law, that relates the number of aftershocks with the magnitude of the mainshock; and, finally, Båth's Law, that states that the difference between the magnitude of a mainshock and its largest aftershocks is 1:2 on average. By focusing on these five laws, we analyze the statistical patterns of the acoustic emissions produced by charcoal. We show that samples of charcoal dampened with ethanol emit crackling noises due to the increase of the sample internal pressure caused by the ethanol evaporation. Similarly, we characterize the main seismic laws in the crackling noises emitted during the relaxation process of crumpled plastic sheets. We verify that the two systems exhibit striking similarities with the seismic activity of Earth. In several cases, we report a quantitative similarity and, for some cases, discrepancies are observed and related to the physical conditions of process under investigation.