Наука опровергла самый известный миф о том, почему рушатся мосты

Вы думали, что дело в «резонансе»? Подумайте ещё.

«По крайней мере, шесть фонарных столбов были вырваны, пока я смотрел. Несколько минут спустя я увидел, что один из прогонов увело в сторону. Хотя мост и качался под углом в 45 градусов, я думал, что всё обойдётся. Но этого не произошло». – Берт Фаркарсон.

Обрушение моста Такома-Нэрроуз утром 7 ноября 1940 года - самый яркий пример захватывающего обрушения моста в наше время. Третий по величине висячий мост в мире, уступающий только мосту Джорджа Вашингтона и мосту Золотые Ворота, он соединял Такому с полуостровом Китсап в заливе Пьюджет и открылся общественности 1 июля 1940 года. Всего четыре месяца спустя, при определённых условиях ветра, мост вошёл в резонанс, что заставило его неудержимо колебаться. После часа колебаний из строя вышла его центральная часть, и весь мост был уничтожен. Это стало свидетельством существования эффекта резонанса и с тех пор использовалось в качестве классического примера в физике и на технических занятиях по всей стране. К сожалению, вся эта история – настоящий миф.

У каждой физической системы или объекта существует естественная, свойственная ему резонансная частота. У качелей, например, существует определённая частота, с помощью которой вы можете управлять ими; в детстве вы учитесь раскачивать себя одновременно с колебанием. Раскачиваясь слишком медленно или слишком быстро, вы никогда не создадите скорость, но если вы раскачиваетесь в правильном темпе, вы можете взлетать настолько высоко, насколько вам позволит ваша физическая подготовка. Резонансные частоты могут также иметь катастрофические последствия, если вы создадите слишком много вибрационной энергии в системе, которая не сможет её обработать, как например, определённые звуковые частоты способны заставить разбиться стакан.

Поэтому вполне логично предположить, что виновником разрушения моста стал именно резонанс. И это самая известная ловушка науки: когда вы находите объяснение, которое является простым, логичным и очевидным. Но в этом случае оно абсолютно неверно. Вы можете рассчитать резонансную частоту моста и понять, что не было никаких воздействий, способных привести к разрушению. Всё, что происходило в тот момент - продолжительный сильный ветер. На самом деле сам мост вообще не раскачивался в своей резонансной частоте!

Но то, что произошло на самом деле, было по-настоящему захватывающим и содержит уроки, которые мы не все учли – судя по мостам, созданных нами с тех пор.

Каждый раз, когда вы создаёте объект между двумя точками, он способен свободно перемещаться, вибрировать, колебаться и так далее. У него существует собственная реакция на внешние стимулы, точно так же, как струна гитары вибрирует в ответ на внешние раздражители. Именно это происходило с мостом большую часть времени: простые вибрации вверх и вниз от проезжающих по нему автомобилей, дуновения ветра и так далее. С ним происходило то, что происходило бы с любым висячим мостом, однако он подвергался более сильному воздействию из-за снижения расходов при проектировании его конструкции. Такие сооружения, как мосты, особенно хороши в потере этого вида энергии, поэтому самостоятельно они не могут создать угрозу разрушения.

Но ветер, дувший на мосту 7-го ноября, был более сильным и продолжительным, чем когда-либо прежде, он заставил сформироваться вихри. В малых количествах это не создало бы проблем, но посмотрите на эффекты этих вихрей в видео ниже.

Со временем они вызывают аэродинамическое явление, известное как «флаттер»: части конструкции под влиянием ветра начинают дополнительно раскачиваться. Это заставляет внешние части перемещаться перпендикулярно направлению ветра, что не совпадает по фазе с изменчивым движением моста. Явление флаттер, как известно, имело катастрофические последствия для самолётов, но никогда прежде не было замечено его влияния на мосты. По крайней мере, не до такой степени.

Когда начался эффект флаттер, один из стальных кабелей, поддерживающих мост, лопнул, перестав быть последним главным препятствием для этого явления. Это произошло, когда две стороны моста качались назад и вперёд в гармонии друг с другом, поэтому волнение усилилось. Продолжительный сильный ветер и созданные им вихри не могли уже остановить никакие силы, мост продолжал раскачиваться всё сильнее. Последние люди, оставшиеся на мосту, по большей части фотографы, были вынуждены бежать.

Но совсем не резонанс уничтожил мост, а скорее самопроизвольное раскачивание! Не имея возможности рассеять эту энергию, конструкция просто продолжала колебаться назад и вперёд, и этот процесс наносил ущерб подобно тому, который скручивание твёрдого объекта туда-сюда ослабляет его, в итоге приводя к поломке. Не резонанс виноват в разрушении моста, а простое отсутствие внимания ко всем эффектам, дешёвые строительные методы и нежелание просчитать все воздействующие силы.

Однако это не было полным провалом. Инженеры, которые исследовали разрушение, быстро начали понимать явление; в течение 10 лет новое ответвление науки: аэроупругость моста. Явление флаттер теперь изучено достаточно, и о нём нельзя забывать, чтобы добиться успеха. Два современных моста могла постичь та же участь, что и Такома-Нэрроуз – Мост Тысячелетия в Лондоне и Волгоградский мост в России тоже имели недостатки, связанные с эффектом флаттер, но они были исправлены в XXI веке.

Не вините резонанс в самом известном разрушении моста. Истинная причина более ужасна, и она может коснуться сотни мостов по всему миру, если мы забудем об эффекте флаттера, который может привести к разрушениям.

источник

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники