Контрзапит щодо науки на мосту Такоми
Наші фізики кажуть, що обвал мосту Такома в 1940 році в Сполучених Штатах відбувся не через резонансне явище, як зазвичай заявляють.
До руйнування палуба мосту Такома зазнала, під впливом помірного вітру, вертикальних коливань, а також періодичних крутильних рухів вздовж своєї осі, нахиляючись до 45 градусів.
7 листопада 1940 року, після вражаючих коливань, міст Такома обвалився під приглушеними очима багатьох свідків. Ця катастрофа без жертв, але рясно знята і сфотографована, з тих пір набула всесвітньої слави, з явним винуватцем: явище резонансу. Судові помилки вказують на те, що, на відміну від того, що стверджується в багатьох книгах, обвинувачений не є джерелом катастрофи.
Почнемо розслідування з фактів. До катастрофічних подій 7 листопада 1940 року жертва вже була добре відома службам безпеки штату Вашингтон. З ранньої молодості мост Такома, відкритий 1 липня 1940 року, поводився небезпечно. Її фартух мав прикру тенденцію гойдатися вертикально, як тільки здіймався легкий вітерець. Ці коливання амплітуди в кілька десятків сантиметрів були вражаючими. Але природна еластичність матеріалів дозволила мосту деформуватися, не руйнуючись. Під дією зовнішніх напружень, таких як вітер або проїзд транспортних засобів, міст почав коливатися в чітко визначених режимах. Однак його конструктори вважали, що ці коливання залишатимуться обмеженими і що серйозних проблем безпеки немає. Настання осені, здавалося, підтвердило їх правоту: міст легко витримував вітри понад 80 кілометрів на годину.
Але вранці 7 листопада під впливом помірного вітру (від 60 до 70 кілометрів на годину) палуба мосту почала вібрувати більше, ніж зазвичай, з амплітудою більше одного метра, достатньою для запобігання руху транспорту. О десятій ранку різкий поворот подій: вертикальні коливання перетворюються на періодичні повороти! З цього моменту при кожному русі вперед і назад нахил колоди відносно горизонталі збільшується, поки палуба не переміститься на дев’ять метрів і нахил 45 градусів. Цей новий режим коливань був фатальним: через півгодини шматки мосту почали падати в річку, і об 11:02 ранку зійшло майже 200 метрів палуби. Жив міст Такома.
Резонанс має алібі
До чого приписувати це лихо? Слух недовго звинувачував явище резонансу, і, навіть сьогодні, саме цим фальшивим поясненням розповсюджують. Згадайте, що резонує на прикладі дитини на гойдалках. Через тертя коливання гойдалки припиняються самі по собі, якщо енергія постійно не подається в систему. Оскільки втрати енергії низькі, співчутливим батькам потрібно лише регулярно підштовхувати дитину, щоб вона підтримувала рух або збільшувала дальність. Якщо він точно регулює частоту своїх втручань під ритм коливань гойдалки, йому буде достатньо прикласти дуже малу силу, щоб отримати дуже значний ефект: це явище резонансу.
Складна конструкція (міст, будівля, транспортний засіб тощо) зазвичай представляє різні режими вібрації, кожен з яких може резонувати з характерною частотою. Частковий обвал каліфорнійської магістралі в 1989 році після землетрусу, таким чином, здається через резонанс у два герци, одну з природних частот вібрації конструкції магістралі: підстилаюча місцевість фільтрувала частоти рухів землі і передавала саме ті, що були близько двох герц.
Чи було так само для мосту Такома, коли бурхливий вітер грав роль землетрусу? Відповідь - "так" щодо коливань, відомих мосту з моменту його побудови, але "ні" для тих, які спричинили його розрив. Пориви вітру не могли мати необхідної енергії та регулярності протягом періоду, який спостерігався: більше півгодини, з періодом п’ять секунд, тобто частота 0, 2 герц.
Обвинувачення не дозволило себе зняти. Проявляючи чудову фізичну культуру, вона звернулася до "алей фон Кармана". Це періодичні ряди вихорів, подібні до тих, що спостерігаються у воді за стовпами мостів. Вони з’являються, коли рідина досить швидко обтікає фіксовану перешкоду. Таким чином, серія аеродинамічних вихорів, створених мостовою палубою, пов'язана з поглибленням, яке по черзі здійснюється на верхню, а потім нижню частину палуби.
Чи могла б наслідкова періодична сила спричинити резонанс мосту Такоми? Обвинувальний акт є оскаржувальним, але він закінчується коротким. Дійсно, розрахунок частоти випромінювання цих вихорів дає один герц, або в п’ять разів більше, ніж 0,2 герца, який спостерігали свідки або вимірювали в аеродинамічній трубі на моделях.
Хто тоді справжній винуватець? Поведінку моста Такома неможливо розшифрувати, враховуючи коливання мосту та аеродинамічний потік окремо. З іншого боку, все стає зрозумілим, коли ми розуміємо, що ці два явища поєднуються і посилюють одне одного.
Ділянка палуби має дуже сплюснуту форму Н: вертикальні бруски відповідають парапетам по обидва боки дороги. Коли вітер дме збоку, він зустрічає парапет. Ця вертикальна перешкода, природно, створює два однакові вихори з обох боків колоди. Їх механічний вплив на міст компенсує один одного. Однак ця симетрія порушується, як тільки дорога схиляється: вихор на лиці мосту, захищеному від вітру, збільшується і тягне палубу вгору, що підкреслює схил. З іншого боку, коли рух зворотний, турбійон відчеплюється від парапету і проходить ширину фартуха перед тим, як відійти, тоді як, з іншого боку, росте інший турбійон.
Сюжет із поворотом
Коливання фартуха, отже, створює синхронні вихори, дія яких посилює коливання; в свою чергу, це породжує ще більші вихори тощо. Саме цей тонкий механізм, зрештою, спричинив обвал мосту Такома.
Таким чином, це не резонанс під впливом періодичної сили. Подібно очерету, що коливається під рівномірним подихом кларнетиста, міст Такома вібрував на вітрі. Ці вібрації поєднувались із вихорами - зв’язкою, яка посилювала рухи.
Дуже прискіпливі прокурори можуть вказати на слабкість наших аргументів. Реконструкція залишає осторонь народження крутильних рухів. Цей момент все ще суперечливий: поломка або раптовий зсув опорного кабелю? Зв'язок між різними типами вихорів? Як і у всіх добрих кримінальних справах, залишається трохи загадок.