Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру

Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздухаили воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотревна тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чащевсего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводитк возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременностановится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающаяпоследовательность, или “дорожка” вихрей, называется “дорожкой Кармана”по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видетьвихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, ноих можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью другихиндикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потокевоздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, топо другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья,гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище парусахлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды самвидел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасенадовольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачиваетна другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадетс одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитудаколебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в немне сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлениюветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит ссамолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкциюдостаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требованиядостаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование ивес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройкидовольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалосьоколо ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этогоявления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостомТэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточнойжесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигалтакой величины, что местные жители прозвали его “скачущей Гертой”. Довольноскоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачкии крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилосьтак, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камераработала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, посколькус тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах(рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места ТэкомаНэрроуз.

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость,особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающихнужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общеговеса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнениз огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листовмалоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись поводе, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.

Проектирование как прикладная теология

Причины любой катастрофы лежат на двух уровнях. Первый связан с непосредственнымимеханическими или технологическими факторами, второй – с факторами субъективногохарактера. Не подлежит сомнению утверждение, что проектирование – не оченьточный предмет, иногда случаются неожиданности, допускаются ошибки и т.д.,однако в большинстве случаев “истинные” причины катастроф кроются в оплошностях,сделанных теми или иными людьми, и этих оплошностей вполне можно было быизбежать.

Сегодня довольно распространено мнение, что оплошность относится к разрядутех слабостей, за которые человека нельзя по-настоящему осуждать, ведьон “сделал все, что мог”, он жертва своего воспитания, среды или социальнойсистемы и т.д. и т.п. Но оплошность незаметно переходит в то, что называетсяочень непопулярным сейчас словом “грех”. В течение своей долгой профессиональнойжизни, потраченной (или растраченной) на изучение прочности материалови конструкций, мне пришлось разбираться в немалом количестве катастроф,нередко сопровождавшихся гибелью людей. Мой опыт привел меня к убеждению,что лишь немногие из катастроф случаются сами по себе на морально нейтральнойпочве. Девять из десяти происходят не по технически сложным причинам, ав результате стародавних человеческих прегрешений, часто опускающихся доочевидной безнравственности.