Kodėl kabantys tiltai šiek tiek siūbuoja?
Trumpas atsakymas: Pakabinamieji tiltai šiek tiek šokinėja, nes tai ilgos, lanksčios konstrukcijos, kurios gali judėti stumiamos vėjo, automobilių ar žmonių. Mažos jėgos priverčia tiltą vibruoti natūraliais dažniais, o šios vibracijos paprastai yra mažos dėl konstrukcijos ir slopinimo.
Trumpas paaiškinimas
Pakabinamasis tiltas savo kelio dangą pakabina ant ilgų lynų. Tie lynai ir kelias veikia kaip didelės spyruoklės. Kai kas nors stumia tiltą – pavyzdžiui, vėjas, eismas ar einantys žmonės – jis pradeda šiek tiek siūbuoti arba šokinėti.
Kiekvienas tiltas turi natūralius dažnius, tai yra greičius, kuriais jis mėgsta vibruoti. Jei stūmimas vyksta tokiu greičiu, judėjimas padidėja; tai vadinama rezonansu. Inžinieriai prideda svorio, slopintuvus (įtaisus, kurie sugeria judesį) ir standžias dalis, kad sustabdytų per didelį šokinėjimą.
Nedideli judesiai yra normalūs ir saugūs; jie tampa problema tik tada, kai jėgos atitinka natūralią tilto vibraciją ir nėra kontroliuojamos.
Norintiems suprasti tiksliau
Įvardyti dėsniai / principai: Poveikio/dėsnio pavadinimas: Lanksčių konstrukcijų mechaninis rezonansas ir vibracija.
Pakabinami tiltai elgiasi kaip didelės vibruojančios sistemos, sudarytos iš lynų, bokštų ir denio. Kiekviena dalis turi masę ir standumą, kurie nustato natūralius dažnius – tai yra greičiai, kuriais tiltas natūraliai svyruoja. Kai išorinės jėgos (vėjo gūsiai, sūkurių išnykimas, žingsniai ar transporto priemonės) stumia natūraliu dažniu arba arti jo, virpesių amplitudė gali didėti; tai yra rezonansas.
Aerodinaminiai efektai, tokie kaip plazdėjimas (nestabili sąveika su vėju) ir sūkurių išnykimas (sūkurinis oras, kuris periodiškai smūgiuoja konstrukciją), taip pat gali pridėti jėgų. Inžinieriai naudoja konstrukcijų dinamikos ir vėjo inžinerijos lygtis, kad numatytų šį elgesį ir pridėtų slopinimą, standinimą arba sureguliuotus masės slopintuvus, kad sumažintų judėjimą.
Kaip mes tai žinome: Inžinieriai matavo tikrus tiltus jutikliais ir bandė modelius vėjo tuneliuose ir kompiuterinėse simuliacijose. Istoriniai įvykiai ir remontas parodė, kurie pataisymai sumažina pavojingą judėjimą .
Pavyzdžiai gamtoje
- Tūkstantmečio tiltas (Londonas) siūbavo, kai jį kirto daug pėsčiųjų ir laipteliai buvo sinchronizuoti, todėl inžinieriai pridėjo amortizatorius .
- Takomos siaurojo tilto (1940 m.) metu dėl aeroelastinių efektų smarkiai virpėjo ir griuvo .
- Daugelyje šiuolaikinių ilgų tarpatramių tiltų yra įmontuoti reguliuojami masės arba klampūs amortizatoriai, siekiant sumažinti judėjimą.
- Pėsčiųjų tiltai kartais turi ribas arba amortizatorius, kur minios gali sukelti pastebimą siūbavimą.
Namų Darbai
Tilto spyruoklinis modelis
Sauga: Būkite atsargūs su žirklėmis ir smulkiomis dalimis šalia mažų vaikų.
Priemonės
- kartono juostelė
- virvelė
- maži svareliai (monetos)
- gumytės
- lipni juosta
Žingsniai
- Iškirpkite ilgą plokščią kartono juostelę, kad pagamintumėte „kaladę“. Priklijuokite dvi virveles prie jos galų, kad pakabintumėte ją ant atramos.
- Pakabinkite kaladę taip, kad ji galėtų siūbuoti kaip tiltas tarp dviejų kėdžių arba lentynos.
- Švelniai pastuksenkite į kaladę ir stebėkite, kaip ji vibruoja; stebėkite, kiek laiko ji juda.
- Pridėkite mažus svarelius (monetas) prie vidurio ir dar kartą pastuksenkite; stebėkite, kaip ji juda.
- Apvyniokite kaladę gumyte (kad padidintumėte slopinimą) ir dar kartą pastuksenkite, kad pamatytumėte, kaip mažėja judėjimas. Ką tai rodo: Masė, standumas ir slopinimas keičia tilto vibraciją.
Žodynas
- Rezonansas: kai pakartotiniai stūmimai atitinka natūralią konstrukcijos vibraciją ir padidina judesį.
- Slopinimas: būdas pašalinti energiją iš vibracijų, kad judėjimas nurimtų.
- Natūralus dažnis: greitis, kuriuo kažkas natūraliai vibruoja, kai pajuda.
- Sūkurio išsiskyrimas: sūkurinis oras, susidarantis už objekto ir galintis periodiškai stumti.
Atsakymai į klausimus
Ar nedidelis šuolis gali padaryti tiltą nesaugų?
Paprastai ne – inžinieriai projektuoja tiltus taip, kad jie atlaikytų nedideles vibracijas ir būtų saugūs.
Kodėl minios labiau verčia tiltus siūbuoti?
Vaikštantys žmonės gali netyčia prisitaikyti prie tilto ritmo ir susumuoti savo stūmimus, taip padidindami judesį.
Ar šiuolaikiniai tiltai vis dar šokinėja?
Taip, bet šiuolaikiniame projekte naudojami slopintuvai ir standesnės dalys, kad judesys išliktų mažas ir saugus.