Наука опровергла самый известный миф о том, почему рушатся мосты. Сварочные инверторы
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.
14 августа этого года обрушился автомобильный мост в Генуе, жертвами катастрофы по последним данным стали 42 человека. Пока инженеры и следователи выясняют, почему и как это произошло, «Вокруг света» решил вспомнить и перечислить основные возможные причины обрушения мостов и заметные примеры таких обрушений из прошлого.
Человечество стало строить мосты более трех тысяч лет назад, что позволяет мосту претендовать на почетное звание самого . Более того, многие мосты, построенные тысячи лет назад - особенно римлянами, которые достигли удивительных высот в области мостостроения, - до сих пор стоят и даже выполняют свои функции.
Но, как и любое инженерное сооружение, мост может разрушиться, что нередко случалось за последние три тысячи лет. И хорошо еще, если прямо в процессе строительства. Хуже, если это происходит по окончании работ.
Почему же разрушаются мосты? Часто причин может быть несколько одновременно, и они, удачно дополняя друг друга, приводят к катастрофе. Например, инженер неправильно провел расчеты, строители сэкономили на материалах или нарушили технологии строительства, затем мост неправильно эксплуатировался и, в конце концов, при прохождении слишком тяжело нагруженного поезда или большого числа машин или людей в плохую погоду обрушился. Тем не менее в большинстве случаев одна из причин выступает в качестве основной.
Ошибки конструкции и эксплуатации и чрезмерный износ
Пожалуй, ошибки в конструкции можно назвать первейшей причиной разрушения всех инженерных сооружений - будь то колокольни, крепостные стены или мосты. Причем проблема может проявиться сразу, а может при определенных условиях по окончании строительства. Именно это случилось, к примеру, с железнодорожным мостом через Ферт-оф-Тей (эстуарий реки Тей) в Шотландии в 1879 году. Инженер Томас Бауч, автор проекта, посвященный за него в рыцари, не учел при создании проекта ветровую нагрузку и запланировал опоры, поддерживавшие фермы моста, слишком тонкими. К этому прибавилось низкое качество материалов и работ. В результате в сильнейший шторм (10 из 12 баллов по шкале Бофорта) вечером 28 декабря 1879 года (через два года после окончания строительства) поезд с 75 людьми въехал на мост и вскоре оказался в воде: пролеты самого длинного на тот момент моста в мире (около 3000 метров) рухнули в реку вместе с вагонами и паровозом.
Так мост выглядел спустя несколько недель после обрушения. Сегодня его конструкции разобраны, однако остатки опор еще видны
А вот пользователям подвесного автомобильного моста через пролив Такома-Нэрроуз между городом Такома в штате Вашингтон (США) и полуостровом Китсуп повезло больше. О проблемах с этим длинным и довольно изящным сооружением стало известно еще на этапе строительства: рабочие, возводившие мост, заметили, что, когда в проливе поднимался боковой ветер, дорожное полотно начинало вибрировать и выгибаться. За это они даже прозвали мост «скачущей Герти» (Gallping Gertie) . Это, впрочем, не помешало довести строительство до конца и торжественно открыть мост 1 июля 1940 года. Более того, хотя колебания дорожного полотна при ветре и были заметны невооруженным глазом и сразу стали вызывать опасения инженеров, инспекторов надзорных органов и водителей, мост считался вполне безопасным. Одновременно с его эксплуатацией разрабатывались варианты решения проблемы. А в чем же была проблема? В том, что при строительстве были использованы передовые на тот момент сплошные балки из углеродистой стали, поверх которых было постелено дорожное полотно. Если бы использовались более привычные сквозные балки, ветер обдувавший мост, проходил бы через них, а сплошные балки отклоняли потоки воздуха выше и ниже и таким образом приводили дорожное полотно в движение. Проекты по исправлению недостатка даже не успели до конца продумать: 7 ноября того же, 1940 года ветер в проливе поднялся до сильных, но не катастрофических 18 м/с (около 64 км/ч; 8 баллов по шкале Бофорта), и мост в конце концов не выдержал: тросы лопнули и дорожное полотно вместе с автомобилем чудом спасшегося водителя упали в пролив; погибла одна собака, случайно выбежавшая на мост. А мы получили уникальные кадры - их снял местный житель, оказавшийся в тот день у моста с камерой.
РезонансОдна из самых известных причин разрушения мостов, хотя и не самая распространенная, - это резонанс, то есть явление резкого нарастания амплитуды колебаний системы (в нашем случае - конструкции моста) при периодическом внешнем воздействии. В школе это явление даже объясняют на уроках физики, приводя в пример историю о том, как отряд солдат, шагая в ногу, может вызвать обрушение моста. По сути, тут сходятся две причины: ошибки в конструкции и неправильная эксплуатация; порою может подключаться и плохая погода. Именно это случилось с упомянутым выше мостом через Такома-Нэрроуз. Резонанс часто называют причиной обрушения цепного Египетского моста в Санкт-Петербурге 2 февраля 1905 года при следовании лейб-гвардии конного-гренадерского полка, хотя комиссия, расследовавшая причины произошедшего, указала, что виновато низкое качество железа цепи К сожалению, не все катастрофы такого рода обходятся без человеческих жертв. Рекордным по количеству погибших стало разрушение из-за резонанса подвесного моста через реку Мен в городе Анжер в центральной части Франции 16 апреля 1850 года, когда погибло более 200 солдат, шедших по мосту в грозу и при сильном ветре. А одним из первых зафиксированных случаев такого рода стало обрушение Броутонского моста в Англии недалеко от Манчестера 19 годами ранее. Тогда никто не погиб, хотя два десятка из 74 солдат пострадали при падении в воду, а в армии появилась команда break step («идти не в ногу»), применявшаяся при пересечении мостов, особенно подвесных, в большей степени подверженных резонансу. Солдаты в Анжере, кстати, выполняли такую команду, но это не уберегло от беды. |
Превышение допустимой нагрузки
Строго говоря, превышение допустимой нагрузки - тоже нарушение правил эксплуатации, хотя, как правило, оно является следствием не небрежения такими правилами и побуждениями здравого смысла, как несвоевременный ремонт или проведение ремонтных работ с нарушением регламента (погубившими в 2011 году 710-метровый мост через реку Махакам в индонезийской части острова Борнео), а стечением обстоятельств. Именно так можно расценивать, например, то, что произошло в 17:00 по местному времени в пятницу 15 декабря 1967 года с Серебряным мостом (Silver Bridge) через реку Огайо, соединявшим штаты Огайо и Западная Виргиния. Мост, построенный в 1928 году, являлся частью шоссе U. S. Route 35 и пользовался большой популярностью, выражавшейся в том, что через него регулярно проходил плотный транспортный поток. В предпраздничные недели трафик возрастал даже больше обычного, а трагедия и вовсе произошла вечером в пятницу за десять дней до Рождества. Мост рухнул из-за разрушения одной из стержневых подвесок, которыми дорожное полотно крепилось к тросам, а за нею стали рушиться и остальные конструкции моста - все разрушение заняло около минуты. В результате погибли 46 человек.
Самый точный список погибших при крушении моста в Диксоне, штат Иллинойс, насчитывает 46 имен, причем женских среди них 37, то есть 80%. Больше того, 19 погибших были моложе 21 года. Причина такой диспропорции в том, что женщин и детей пропустили вперед, чтобы им было лучше видно церемонию крещения в водах реки - как раз на ту боковую пешеходную дорожку, где была сконцентрирована наибольшая масса. Тяжелые платья, посыпавшиеся сверху люди и конструкции злополучного моста довершили дело
Другой пример тоже из Америки - из города Диксон, штат Иллинойс. Начало мая 1874 года было теплым и солнечным, поэтому пастор местной баптисткой церкви решил провести в первое же воскресенье месяца, 4-го числа, церемонию крещения в водах реки Рок шестерых новых членов общины. Удобное место было вблизи моста, а такие церемонии обычно привлекали внимание горожан (альтернативных развлечений в провинциальном городе с населением чуть больше 4000 человек в 1874 году было немного). Мост же был построен пятью годами ранее и имел пользовавшуюся популярностью новую для тех лет решетчатую конструкцию, позволявшую собирать переправы большой длины из коротких металлических деталей и, следовательно, тратить меньше денег и возводить мосты в труднодоступных районах.
Утром в воскресенье на мосту собралось от 150 до 200 человек, все одетые по-воскресному, причем больше всего людей было сконцентрировано с одного края моста и в границах одного пролета. Пастор взял театральную паузу перед погружением в воды реки крещаемого. Вдруг в наступившей тишине послышался громкий скрип, и пролет моста стал валиться вместе с собравшимися на нем людьми (мужчины, женщины в тяжелых платьях с кринолинами и нижними юбками, дети, в том числе маленькие), которые полетели в воду с высоты более пяти метров. Погибло около 50 человек. Официально причиной случившегося назвали конструкцию моста, однако трагедия не произошла бы, если бы он не оказался перегружен, притом неравномерно.
Военные действия и терроризм
Во всех выше описанных случаях мосты разрушались из-за непреднамеренных действий людей. Но так бывает не всегда, нередко люди разрушают построенные другими людьми переправы. Чаще всего в истории человечества так происходило во время войн, и наибольшее количество мостов было разрушено в XX веке во время Второй мировой войны авиаударами или артобстрелами - либо для того чтобы остановить продвижение войск, либо чтобы нарушить экономическую деятельность противника. Так, мост Гогенцоллернов, построенный в 1907–1911 годах в центре Кельна, позволял пересекать Рейн автомобильному и железнодорожному транспорту и пешеходам и потому считался важнейшим элементом инфраструктуры Третьего рейха - во время войны это был самый загруженный железнодорожный мост в Германии. Неудивительно, что уже с 1942 года союзники старались уничтожить его авианалетами. Впрочем, полностью вывести его из строя с воздуха им так и не удалось - мост рухнул в воды Рейна только 6 марта 1945-го, когда его подорвали американские саперы.
Разрушенный за два месяца до окончания войны мост Гогенцоллернов (на фото в центре) начали восстанавливать вскоре после окончании боевых действий в Германии. И в 1948 году уже запустили железнодорожное движение по нему. Автомобильную линию пустили по другому маршруту, а слева и справа от путей сейчас устроены пешеходно-велосипедные дорожки, с которых открывается великолепный вид на город в целом и на Кельнский собор в частности
Однако и после окончания Второй мировой мосты продолжали гибнуть от бомбардировок с воздуха и подрывов - эта судьба постигла, например, весьма красивый вантовый автомобильный мост Свободы в сербском городе Нови-Сад в 1999 году во время натовской военной операции против Югославии (мост, впрочем, восстановили в 2005-м).
Обрушения мостов в литературеМост нередко становился героем литературных произведений, причем в некоторых из них описывались как раз разрушения переправы. Так, шотландский поэт второй половины XIX века Уильям Макгонаголл написал поэму «Крушение моста через реку Тей», о котором мы говорили выше. Поэма знаменита тем, что считается одним из худших стихотворений в истории британской литературы. У писателя Арчибальда Кронина в романе «Замок Броуди» это событие описано хотя и в прозе, но куда лучше. Впрочем, писателям совсем не обязательно описывать реально произошедшие вещи. Например, главный герой одного из лучших и наиболее популярных романов Эрнеста Хемингуэя «По ком звонит колокол» (восьмое место в списке ста лучших романов XX века, по версии французского издания Le Monde ) Роберт Джордан прибивается к отряду испанских партизан как раз для того, чтобы подорвать стратегически важный мост (спойлер: подрывает и погибает), притом автор утверждал, что все события в романе вымышленные. Однако самое большое внимание обрушению моста, пожалуй, уделено в романе американского писателя Торнтона Уайлдера «Мост короля Людовика Святого», написанном в 1927 году. В центре повествования обрушение построенного инками столетнего подвесного моста в Перу на дороге между Лимой и Куско в 1714 году как раз в тот момент, когда по нему проходили пять незнакомых друг с другом человек; все они погибли. Выяснением, почему именно эти люди оказались на мосту именно в тот неудачный момент, и занимается свидетель несчастья монах-францисканец Юнипер, от имени которого ведется повествование.
|
Стихийное бедствие
В эту категорию причин попадают и наводнения и внезапные резкие подъемы воды, попросту смывающие мост или разрушающие его опоры и почву под ними, и землетрясения, а также оползни. Именно последние стали причиной обрушения моста через каньон Пфайффер (глубина 98 метров) на Шоссе 1 в Калифорнии в марте 2017 года. В течение месяца в районе моста выпало более 1500 мм осадков, которые вызвали смещение толстого слоя почвы на склоне каньона вместе с опорой моста, врытой в этот склон. К счастью, на мосту в тот момент никого не было.
Мост через реку Кинзу высотой 92 метра частично разрушился после встречи с торнадо в 2003-м. До обрушения его длина составляла 625 метров, он был 4-м по высоте мостом в США. В 1977 году сооружение внесли в Национальный реестр исторических мест США, а в 1982-м - в Список исторических гражданских инженерных достопримечательностей США
Еще один, впрочем довольно экзотический, вариант развития событий - торнадо. Именно он уничтожил знаменитый железнодорожный мост через реку Кинзу в штате Пенсильвания (США) - памятник инженерной мысли, построенный в 1883 году и прослуживший до 1963-го, а потом ставший главной достопримечательностью парка Kinzua Bridge State Park . А 21 июля 2003 года на парк налетел торнадо, ударил в мост и повалил 11 из 20 его опор - 120-летние конструкции не выдержали ветра скоростью выше 150 км/ч.
Столкновение
Отличный способ обрушить мост - врезаться в него, причем для наибольшего успеха этого предприятия стоит метить в опору. Хотя можно при желании попытаться снести и пролет, например устремившись под мост на транспортном средстве большей высоты, чем сам пролет. Надо сказать, что в большинстве случаев мост побеждает (см. так называемый «Мост дураков» в Санкт-Петербурге), однако не всегда, как случилось с мостом Альмё, соединявшим шведский остров Чёрн с материком. Это красивое арочное сооружение (на момент постройки самый длинный в мире мост такого типа) было перекинуто через оживленный водный путь и простояло 20 лет без приключений, пока темной туманной ночью с 17 на 18 января 1980 года не встретилось с балкером MS Star Clipper . Тот, следуя в тяжелых навигационных условиях, прошел не по центру арочного пролета, задел арку и снес ее. Дорожное полотно и конструкции моста упали на мостик судна и разрушили его. Примечательно, что при этом на судне никто не пострадал. Но совсем без жертв, к сожалению, не обошлось: в тумане несколько автомобилей на полном ходу выехали на мост со стороны Чёрна и, не заметив, что моста-то и нет, рухнули с него в ледяные воды пролива - погибли восемь человек. Жертв могло бы быть больше, если бы следовавший со стороны континента водитель грузовика не заметил, что заграждения внезапно исчезли, и не успел затормозить в метре от обрыва, заблокировав дорогу.
При столкновении баржи с мостом на шоссе I-40 в 2002 году в США непосредственно от удара никто не пострадал, но восемь легковых и три грузовых автомобиля успели упасть в воду - погибли 14 человек, 11 получили ранения
И все же более надежный способ снести мост - это врезаться в опору и желательно на полном ходу, как это сделала груженая баржа Robert Y. Love в водохранилище имени Керра на реке Арканзас в штате Оклахома, США. Ее рулевой упал в обморок за штурвалом, и неуправляемое судно врезалось в одну из опор автомобильного моста и снесло ее, вызвав обрушение 177-метровой секции пролета. Как и в случае с мостом Альмё, жертвами крушения стали водители автомобилей, не успевшие затормозить на краю (дело происходило майским утром).
Фото: Wikimedia Commons, Stephen Lux / Getty Images, Posnov / Getty Images
Мы часто слышим слово резонанс: «общественный резонанс», «событие, вызвавшее резонанс», «резонансная частота». Вполне привычные и обыденные фразы. Но можете ли вы точно сказать, что такое резонанс?
Если ответ отскочил у вас от зубов, мы вами по-настоящему гордимся! Ну а если тема «резонанс в физике» вызывает вопросы, то советуем прочесть нашу статью, где мы подробно, понятно и кратко расскажем о таком явлении как резонанс.
Прежде, чем говорить о резонансе, нужно разобраться с тем, что такое колебания и их частота.
Колебания и частота
Колебания – процесс изменения состояний системы, повторяющийся во времени и происходящий вокруг точки равновесия.
Простейший пример колебаний - катание на качелях. Мы приводим его не зря, этот пример еще пригодится нам для понимания сути явления резонанса в дальнейшем.
Резонанс может наступить только там, где есть колебания. И не важно, какие это колебания – колебания электрического напряжения, звуковые колебания, или просто механические колебания.
На рисунке ниже опишем, какими могут быть колебания.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Колебания характеризуются амплитудой и частотой. Для уже упомянутых выше качелей амплитуда колебаний - это максимальная высота, на которую взлетают качели. Также мы можем раскачивать качели медленно или быстро. В зависимости от этого будет меняться частота колебаний.
Частота колебаний (измеряется в Герцах) - это количество колебаний в единицу времени. 1 Герц - это одно колебание за одну секунду.
Когда мы раскачиваем качели, периодически раскачивая систему с определенной силой (в данном случае качели – это колебательная система), она совершает вынужденные колебания. Увеличения амплитуды колебаний можно добиться, если воздействовать на эту систему определенным образом.
Толкая качели в определенный момент и с определенной периодичностью можно довольно сильно раскачать их, прилагая совсем немного усилий.Это и будет резонанс: частота наших воздействий совпадает с частотой колебаний качелей и амплитуда колебаний увеличивается.
Суть явления резонанса
Резонанс в физике – это частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, который проявляется в резком увеличении амплитуды стационарных колебаний при совпадении частоты внешнего воздействия с определёнными значениями, характерными для данной системы.
Известны случаи, когда мост, по которому маршировали солдаты, входил в резонанс от строевого шага, раскачивался и разрушался. Кстати, именно поэтому сейчас при переходе через мост солдатам положено идти вольным шагом, а не в ногу.Суть явления резонанса в физике состоит в том, что амплитуда колебаний резко возрастает при совпадении частоты воздействия на систему с собственной частотой системы.
Примеры резонанса
Явление резонанса наблюдается в самых разных физических процессах. Например, звуковой резонанс. Возьмём гитару. Само по себе звучание струн гитары будет тихим и почти неслышным. Однако струны неспроста устанавливают над корпусом – резонатором. Попав внутрь корпуса, звук от колебаний струны усиливается, а тот, кто держит гитару, может почувствовать, как она начинает слегка «трястись», вибрировать от ударов по струнам. Иными словами, резонировать.
Еще один пример наблюдения резонанса, с которым мы сталкиваемся - круги на воде. Если кинуть в воду два камня, попутные волны от них встретятся и увеличатся.
Действие микроволновки также основано на резонансе. В данном случае резонанс происходит в молекулах воды, которые поглощают излучение СВЧ (2,450 ГГц). Как следствие, молекулы входят в резонанс, колеблются сильнее, а температура пищи повышается.
Резонанс может быть как полезным, так и приносящим вред явлением. А прочтение статьи, как и помощь нашего студенческого сервиса в трудных учебных ситуациях, принесет вам только пользу. Если в ходе выполнения курсовой вам понадобится разобраться с физикой магнитного резонанса, можете смело обращаться в нашу компанию за быстрой и квалифицированной помощью.
Напоследок предлагаем посмотреть видео на тему «резонанс» и убедиться в том, что наука может быть увлекательной и интересной. Наш сервис поможет с любой работой: от реферата "Сеть интернет и киберпреступность" до курсовой по физике колебаний или эссе по литературе.
Явление резонанса наблюдается в механических колебательных системах, которые подвергаются действию на них сторонних сил периодически. Эти силы передают колебательной системе некую энергию, которая переходит в энергию движения, т.е. система раскачивается и амплитуда колебаний возрастает и становится максимальной, когда внешняя сила действует на колебательную систему с такой же частотой, какая частота колебаний у самой системы – это и есть РЕЗОНАНС.
Висячие мосты обладают рядом неоспоримых достоинств по сравнению с конструкциями мостов других типов. Однако уже давно было замечено, что висячие мосты весьма ненадежны при сильном ветре. Одной из крупнейших в истории мостостроения катастроф стало обрушение моста через реку Такома (США) 7 ноября 1940 года. Строительство этого моста было закончено летом 1940 года. Пролет, третий в мире по длине, имел длину 854м. Большого движения не ожидалось и мост был построен очень узким - шириной 11,9м. Проезжая часть была рассчитана на 2 ряда автомобилей. Полотно дороги было подвешено на двух стальных канатах со стрелой провеса 70,7м.
Сразу после постройки была обнаружена большая чувствительность моста к действию ветра, амплитуды (размахи) колебаний моста достигали 1,5 м. Было сделано несколько попыток устранить эти большие колебания путем введения дополнительных связей и установки гидравлических демпферов (амортизаторов) на пилонах; так называются столбы, поддерживающие основные (несущие) тросы в висячих мостах. Но это не предотвратило катастрофы.
Начиная с 8 часов утра 7 ноября наблюдались не очень сильные вертикальные многоузловые (в форме нескольких волн) изгибные колебания с частотой 0,8 Гц. Примечательно, что ветер имел не очень большую скорость, около 17 м/с, тогда как до этого были случаи, когда мост выдерживал более сильный ветер. Около 10 часов утра скорость ветра несколько возросла (до 18,7 м/с), и установились одноузловые (в форме одной волны) изгибно-крутильные колебания со значительно меньшей частотой (0,2 Гц) и весьма большими амплитудами. Когда закрутка достигала максимума, проезжая часть наклонялась к горизонту под углом 45°. Резкое изменение частоты колебаний произошло, по-видимому, вследствие обрыва каких-то важных связей в конструкции. Мост выдерживал эти колебания около часа, после чего большой участок проезжей части полотна отломился и упал в воду. Весь процесс был заснят на кинопленку, что явилось ценным материалом для исследования причин обрушения.
Катастрофа привлекла огромное внимание исследований. Уже через две недели после свершившегося известный механик Т. фон Карман дал объяснение причин катастрофы и даже указал скорость ветра, при которой это может случиться. Разрушение произошло при скорости ветра порядка 18 - 19 м/с, а Т.фон Карман расчетом получил 22,2 м/с. Так что даже это можно назвать успехом механика.
Какие выводы отсюда сделали механики? Сейчас через реку Такома построен другой мост. Его ширина увеличена более чем в 1,5 раза и составляет 18 м, изменено так же сечение проезжей части. Кроме того, сплошные балки заменены сквозными фермами, что значительно уменьшает силу давления ветра. Современные висячие мосты - это легкие конструкции, подвешенные на стальных канатах, называемых вантами. Они выдерживают большие ветры и прочие нагрузки и нормально функционирует уже много лет. Известно, что таких катастроф, какая была с Такомским мостом, здесь произойти не может. Механики сумели понять, что может произойти и как это предотвратить.
Резонанс может произойти, когда большая масса, например, солдат строем, чеканя шаг, должна перейти по мосту, при этом, звучит команда - отставить марш, люди переходят мост, как обычные пешеходы... Станки с вращающимися частями устанавливают на массивные основания-фундаменты, чтобы при раскачивании станка (которое не избежать) не произошло явление резонанса у фундамента и он не разрушился.
Явление резонанса - основа радиотелефонной связи, телесвязи.
Мост Такома-Нэрроуз (Такомский мост) относится к разряду висящих мостовых сооружений. Находится в штате Вашингтон, Соединенные Штаты Америки. Проложен через Такома-Нерроузкий пролив, который, в свою очередь, является частью залива Пьюджет-Сауд.
История создания
Изначально строился по проекту Леона-Соломона Моисеева, выходца из России. Он известен как инженер-конструктор, строитель мостов, активный участник общественной жизни. Такомский мост открыли для передвижения в июле 1940 года. Уже при его возведении строители обратили внимание на колебания и раскачивания полотна дороги моста при усилении ветра. Это было обусловлено недостаточно высокой балкой жесткости. В обиходе мост стал называться «Голопирующей Герти».
Характеристики моста
На время постройки Такомского моста он являл собой примечательное сооружение. Это была висячая (вантовая) трехпролетная конструкция. Общая длина ее составляла 1810 метров. А длина центрального подвешенного пролета - 854 метра. В ширину мост был около 12 метров. Основные несущие тросы в диаметре составляли 438 миллиметров. Балка жесткости достигала в высоту 2,44 метра, что было признано в последующем просчетом. Конструкцию моста держали стальные пилоны, стоящие на бетонных опорах (быках).
Крушение
7 ноября 1940 года, когда период эксплуатации составлял всего четыре месяца, произошло разрушение Такомского моста. В этот день скорость ветра достигла 65 км/час. С учетом того, что в этот день движение на мосту было минимальным, это позволило избежать человеческих жертв.
Сам факт разрушения в динамике был запечатлен на кинопленку. Это позволило в последующем тщательно изучить и исследовать этот процесс. Кинохроника и фото моста Такома-Нэрроуз в процессе его разрушения действительно очень впечатляющие.
На основании кинопленки был создан получивший всемирную известность документальный фильм The Tacoma Narrows Bridge Collapse.
Причины разрушения
По результатам исследований, изучения документальных материалов установлено, что основным фактором, приведшим к аварии, стали вызванные сильным ветром запредельные динамические крутильные колебания. Выяснено, что проект Такомского моста рассчитывали и проектировали с учетом только статистических и ветровых нагрузок. Однако возможное воздействие на его конструкцию аэродинамических факторов не изучалось.
Колебание полотна моста возникло из-за Оно стало усиливаться вследствие вертикального колебания тросов. Ослабление троса с одной стороны моста и напряжение с другой породили крутильные явления, привели к наклону пилонов и, как следствие, к обрыву подвесок центрального пролета. Мост оказался конструктивно излишне гибким, обладающим небольшой сопротивляемостью к поглощению динамических сил.
Киносъемка зафиксировала, что мост стал раскачиваться тогда, когда скорость ветра составляла порядка 19 метров в секунду. Хотя в проекте устойчивость его к ветрам рассчитывалась, исходя из 50 метров в секунду.
Выводы
Разрушение Такомского моста заставило конструкторов-мостостроителей (и не только) начать исследования в области аэродинамики, аэродинамической устойчивости конструкций и сооружений. Это привело к изменению взглядов на проектирование мостов с большими пролетами.
В теории причиной стали обозначать явление вынужденного механического резонанса. Однако в практике считается, что к ней привел т. н. аэроупругий флаттер (крутильные колебания) вследствие недостаточных расчетов по ветровым нагрузкам еще на стадии проектирования.
Новый мост
Разбор рухнувшего сооружения начали сразу же после аварии. Был осуществлен демонтаж пилонов и боковых пролетов. Этот процесс длился до 1943 года, когда начали возводить новый мост. От старого сооружения применение нашли основания пилонов, анкерные устои, некоторые другие части. Воссозданный мост ввели в эксплуатацию в октябре 1950 года. Он стал на тот период третьим в мире висячим мостом (исходя из длины в 1822 метра).
В целях придания и для снижения нагрузок аэродинамического характера в его элементы ввели фермы открытого типа. Установили дополнительные стойки жесткости. Он оборудован деформационными швами и системами гашения вибраций. Мост мог пропускать до 60 тысяч автомобилей за сутки.
В 2007 году параллельно действующему был построен еще один мост. Цель постройки - увеличение пропускной способности шоссе. Длина его составляет 1645,9 м, а ширина - 853,4 м. Высота пилонов - 155,4 метра.