Kodėl tiltai šiek tiek siūbuoja?
Trumpas atsakymas: Tiltai siūbuoja, nes tai lanksčios konstrukcijos, kurios juda, kai jas spaudžia jėgos. Vėjas, eismas ar net žmonės gali priversti juos vibruoti natūraliai judant, kartais kurį laiką padidindami siūbavimą.
Išsamesnis paaiškinimas
Tiltai statomi taip, kad būtų tvirti, bet kartu ir šiek tiek lankstūs. Tai padeda jiems sugerti svorį ir vėją nelūžtant. Kai vėjas ar judančios transporto priemonės stumia tiltą, jos prideda jam energijos.
Kiekvienas tiltas turi natūralų dažnį, kuris nurodo, kaip greitai jis mėgsta judėti pirmyn ir atgal. Jei stūmimai atitinka tą dažnį, judesiai sumuojasi ir siūbavimas didėja. Trinties ir konstrukcijos ypatybės (vadinamos slopinimu) paprastai pašalina energiją, todėl tiltas nustoja judėti.
Inžinieriai projektuoja tiltus taip, kad siūbavimas būtų saugus ir jaustųsi nedidelis jį kertančiai žmonėms. Kartais projektuotojai keičia tilto dalis, kad sumažintų svyravimą, jei jis tampa per didelis.
Kaip tai veikia moksliškai
Įvardyti dėsniai / principai: Pagrindinės idėjos yra rezonansas ir aeroelastiniai efektai.
Rezonansas atsiranda, kai pakartotiniai stūmimai atitinka natūralų tilto dažnį, todėl kiekvienas stūmimas prisideda prie judėjimo. Aeroelastiniai efektai apima Karmáno sūkurio išsiskleidimą, kai pro tiltą tekantis vėjas sukuria pakaitomis sūkurius (sūkurinį orą), kurie ritmiškai stumia konstrukciją, ir plazdėjimą – savaime sustiprėjantį judėjimą tarp vėjo ir tilto formos. Slopinimas yra procesas, kurio metu pašalinama energija, pavyzdžiui, medžiagomis, jungtimis ar specialiais įtaisais, vadinamais slopintuvais.
Niutono judėjimo dėsniai ir paprastoji virpesių teorija apibūdina, kaip jėgos sukelia pagreitį ir svyravimus. Inžinieriai naudoja konstrukcijų dinamiką (tyrimą, kaip konstrukcijos reaguoja į jėgas laikui bėgant), kad numatytų, kiek tiltas judės, ir projektuotų saugiai.
Kaip mes tai žinome: statytojai matuoja tikrus tiltus jutikliais, bando modelius vėjo tuneliuose ir atlieka kompiuterinius modeliavimus, kad palygintų rezultatus. Šių bandymų stebėjimai rodo, kurios jėgos sukelia svyravimą ir kaip jį sumažinti.
Kur tai pastebėsi
- Dėl vėjo ilgas kabantis tiltas šiek tiek siūbuoja pirmyn ir atgal.
- Perpildytas pėsčiųjų tiltas, kuris, eidamas kartu daugeliui žmonių, atrodo lyg siūbuotų.
- Sunkvežimiai, važiuodami per tiltą, sukelia trumpus, šokinėjančius judesius.
- Temperatūros pokyčiai, dėl kurių tilto dalys plečiasi arba traukiasi, todėl tiltas šiek tiek juda.
Eksperimentas
Liniuotės tiltelio vibracija
Sauga: Nenaudokite sunkių svarmenų ir nestovėkite po eksperimentu.
Priemonės
- liniuotė
- dvi knygos
- mažas svarelis (pvz.
- moneta)
- chronometras arba telefono laikmatis
Žingsniai
- Padėkite liniuotę ant dviejų knygų taip, kad ji kyšotų kaip tiltas.
- Padėkite mažą svarelį netoli vidurio, kad pridėtumėte apkrovą.
- Švelniai bakstelėkite kabantį galą vieną kartą, kad jis pradėtų vibruoti.
- Naudokite laikmatį, kad suskaičiuotumėte, kiek laiko jis vibruos, kol sustos.
- Priartinkite svarelį arčiau arba toliau nuo atramos ir pakartokite.
- Pabandykite baksnoti stipriau ir palyginkite, kiek laiko ir kiek stipriai jis vibruos. Ką tai rodo: Liniuotė labiau linksta ir vibruoja, kai stūmimai atitinka natūralų jos judėjimą ir kai slopinimas yra mažesnis.
Naudingi terminai
- Rezonansas: kai pakartotiniai stūmimai atitinka natūralų objekto judėjimą, ir judėjimas stiprėja.
- Natūralus dažnis: greitis, kuriuo kažkas pats vibruoja, kai yra sutrikdomas.
- Slopinimas: bet kas, kas atima energiją ir numalšina vibracijas.
- Sūkurių skleidimas: pakaitomis besikeičiantys oro sūkuriai, kurie susidaro už stačios formos ir ritmiškai ją stumia.
- Aeroelastinis plazdėjimas: vėjo sukeltas judėjimas, kuris gali stiprėti, jei konstrukcija ir oro srautas sąveikauja.
Vaikai klausia
Ar pavojinga, jei tiltas siūbuoja?
Nedidelis, kontroliuojamas svyravimas yra normalus ir saugus; inžinieriai projektuoja tiltus taip, kad su juo susidorotų.
Ar žmonės gali sukelti tilto griūtį eidami žingsniu?
Tai mažai tikėtina; šiuolaikiniai tiltai yra tikrinami dėl sinchronizuoto ėjimo ir, jei reikia, paprastai pridedamas slopinimas.
Kodėl ne visi tiltai siūbuoja vienodai?
Tilto dydis, forma, medžiagos ir jų atramos būdas keičia jo natūralų dažnį ir slopinimą, todėl kiekvienas elgiasi skirtingai.
Ar galima sustabdyti svyravimą?
Inžinieriai gali sumažinti svyravimą naudodami standinimo elementus, slopintuvus arba keisdami tilto formą.