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地球科学

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罗马人是否建造了地震隐身斗篷?

23 Apr 2019
罗马竞技场
古老的超材料:可以通过地震隐身斗篷保护罗马斗兽场免受地震破坏。 (由Bengt Nyman / CC BY 2.0提供)

在物理学家对超材料或变换光学学没有任何了解之前,古罗马人就已经建立起了像隐形斗篷那样的结构。这是法国研究人员的令人惊讶的说法,他们发现一些罗马剧院和露天剧场的地基图案非常类似于电磁隐身装置的特征。他们说,这些“考古超材料”可以通过在舞台周围弯曲地震波来间接地提供抗震保护。

超材料是包括谐振器阵列的人造结构,该谐振器阵列以自然界通常无法发现的方式操纵电磁波或声音。已经开发出一种称为转换光学的数学框架,以设计由超材料制成的新型设备,包括使微波转移圆形物体的隐形斗篷。

超材料的一种潜在应用是创建可将地震波转移到建筑物周围的结构,以防止地震发生。这个想法是用土壤内部的孔或固体物体的格子包围建筑物。当一定波长范围内的地震波通过晶格时,晶格中的多次反射会相互破坏性地产生干涉,从而形成能带隙,从而显着减少建筑物的震动。

StéphaneBrûlé和公司的土木工程师 梅纳德 里昂的研究人员 菲涅耳研究所 2012年,他们在马赛(Marseille)展示了这个想法,当时他们在表土中钻了二维的钻孔,每个钻孔深5米。通过使用附近的声源产生声波,他们发现 海浪的大部分能量被反射回源头 由前两排孔。

怪异的相似之处

但是,布鲁莱(Brûlé)认为,古罗马人可能首先到达那里-尽管是在不经意间。他在度假时正在镇上寻找考古遗迹。 Autun 在法国中部,他看到一张航拍照片,上面显示了盖洛-罗马剧院的地基,埋在马路上。尽管很难辨认,但现场的标记显示的是一世纪AD建筑物的轮廓,他认为半圆形结构与隐形斗篷的一半有着不可思议的相似之处。

几年前进行的一项考古研究照片证实了这一点,该照片更清晰地描绘了剧院的基础。他将这张照片和Brûlé及其菲涅耳研究所的同事们建造的直径20厘米的隐形斗篷之一叠加在一起,他发现剧院的柱子和斗篷的各个元素几乎完全对齐了–每个都布置在一系列同心圆(半)以较小的半径彼此靠近的圆。

布鲁尔随后发现,同样的东西适用于罗马竞技场和其他圆形剧场的地基-与半圆形剧院不同,它们是完全封闭的。特别是,他发现相邻同心圆(在大多数圆形剧场的情况下为椭圆形)的半径比几乎相同。 “我可以’他还说,“还没有向您展示圆形剧场的叠加,但它给人留下了深刻的印象”。

经验还是运气?

关于罗马人如何达到这种设计,Brûlé建议,由于在高度地震地区几个世纪以来的经验,他们可能逐渐修改了圆形剧场。但是他不愿提供细节。实际上,他说,这可能只是个运气问题-非常适合静态载荷的基础也恰好抵抗了地震。他补充说:“严格地说,我们暂时不能再说更多了”。

塞巴斯蒂安·格纳瑙 菲涅尔研究所(Fresnel Institute)的研究人员进行了计算机模拟,以验证这一想法,但他说,真实土壤的复杂性及其对地震波通过的影响意味着必须进行现场试验。他希望建立一个模型,该模型由埋在地下的混凝土桩组成,这些桩被布置成外径至少为20 m的典型同心椭圆形。他解释说,这种规模适用于在软土中传播的(短波)地震波。

另一个法国团体,由 菲利普·鲁(Philippe Roux) 位于格勒诺布尔的ISTerre地球科学研究所也正在将转换光学应用于地面上的结构。例如,它表明 森林可以充当超材料,这是由于具有一定高度分布的树木可以将地震波的一些能量转移到远离地球表面的位置。

大都市超材料

研究人员还通过研究密集的高层建筑群(如摩天大楼)如何共同充当超材料来将这种思想应用于未来的城市。 Brûlé说,这个想法是,这些建筑物通过振动来修改通过的地震波,然后充当二次源,重新发射一部分初始地震能量。他认为,将来,智慧城市的布局可能会使得建筑物将地震波从包含基本服务或学校的中心地区转移开来,甚至可以利用部分波能来发电。

但是,他目前只是希望人们意识到,在最大程度地减少地震破坏时,建筑物的设计和位置至关重要。他说,科学家和工程师应该“仔细研究古代建筑,并从这些美丽而惊人的弹性设计中学习。”

这项研究在有关 arXiv 预印服务器。

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