Videnskab Buster den største myte nogensinde om, hvorfor broer kollapser

sammenbruddet i Tacoma Narrows Bridge om morgenen November 7, 1940, er den mest ikoniske eksempel på en spektakulær bro fiasko i nyere tid., Som den tredje største hængebro i verden, kun overgået af George Washington og Golden Gate-broer, der forbindes Tacoma til hele Kitsap-Halvøen i Puget Sound, og åbnet for offentligheden den 1. juli, 1940. Bare fire måneder senere, under de rigtige vindforhold, blev broen kørt med sin resonansfrekvens, hvilket fik den til at svinge og vride ukontrolleret. Efter bølgende i over en time kollapsede den midterste sektion, og broen blev ødelagt., Det var et vidnesbyrd om kraften i resonans, og har været brugt som et klassisk eksempel i fysik og teknik klasser over hele landet lige siden. Desværre er historien en komplet myte.

hvert fysisk system eller objekt har en frekvens, der er naturligt forbundet med det: dets resonansfrekvens. En gynge har for eksempel en bestemt frekvens, du kan køre den på; som barn lærer du at pumpe dig selv i tide med gyngen., Pump for langsomt eller for hurtigt, og du”ll aldrig opbygge hastighed, men hvis du pumpe på den helt rigtige hastighed, du kan svinge så højt som dine muskler vil tage dig. Resonansfrekvenser kan også være katastrofale, hvis du opbygger for meget vibrationsenergi i et system, der ikke kan klare det, hvilket er, hvordan lyd alene på den rigtige tonehøjde er i stand til at få et vinglas til at knuse.

det er fornuftigt at se på, hvad der skete med broen, at resonans ville være synderen. Og det er den nemmeste Faldgrube i videnskaben: når du kommer op med en forklaring, der er enkel, overbevisende, og synes indlysende. Fordi i dette tilfælde, Det ” s helt forkert. Du kan beregne, hvad broens resonansfrekvens ville være, og der kørte ikke noget ved den frekvens. Alt du havde var en vedvarende, stærk vind. Faktisk, selve broen var ” t bølgende på sin resonansfrekvens overhovedet!,

men historien om, hvad der faktisk skete, var fascinerende, og holder lektioner — lektioner, vi ikke nødvendigvis har lyttet til — for alle de broer, vi har bygget lige siden.

Når du har et objekt suspenderet mellem to punkter, det er frit at flytte, vibrere, oscillere, etc., Det har sin egen reaktion på eksterne stimuli, ligesom en guitarstreng vibrerer som reaktion på eksterne e .citationer. Det er, hvad broen gjorde det meste af tiden: simpelthen vibrerede op-og-ned som biler passerede over det, som vinden blæste, etc. Det gjorde, hvad enhver hængebro ville gøre, kun lidt mere alvorligt på grund af de omkostningsbesparende foranstaltninger, der blev implementeret i dens konstruktion. Strukturer som broer er særligt gode til at kaste denne form for energi, så det alene ikke udgør nogen fare for sammenbrud.,

men da vinden gik over broen den 7.November, en stærkere, mere vedvarende vind end den nogensinde havde oplevet før, forårsager hvirvler til at danne som den stadige vind passerede over broen. I små doser, dette ville”T udgøre meget af et problem, men tage et kig på virkningerne af disse hvirvler på en struktur i videoen nedenfor.

Over tid forårsager de et aerodynamisk fænomen kendt som “fladder”, hvor ekstremiteterne i vindretningen får en ekstra gyngende bevægelse til dem., Dette får de ydre dele til at bevæge sig vinkelret på vindretningen, men uden for fase fra broens samlede op-og-ned bevægelse. Dette fænomen af fladder har været kendt for at være katastrofalt for fly, men det blev aldrig set i en bro før. I det mindste ikke i dette omfang.

da fladdereffekten begyndte, knækkede et af stålophængskablerne, der understøtter broen, og fjernede den sidste store hindring for denne flagrende bevægelse. Det var da de ekstra bølger, hvor broens to sider gyngede frem og tilbage i harmoni med hinanden, begyndte for alvor. Med den vedvarende, kraftig vind, de fortsatte hvirvler, og ingen evne til at sprede disse kræfter, broens vuggende fortsatte uformindsket styrke, og endda intensiveret. De sidste mennesker på broen, fotograferne, flygtede fra scenen.,

Men det var ikke”t resonans, der bragte broen ned, men snarere det selv-induceret rocking!, Uden en evne til at sprede sin energi, fortsatte den bare med at vride frem og tilbage, og da vridningen fortsatte, fortsatte den med at tage skade, ligesom at vride en solid genstand frem og tilbage vil svække den, til sidst fører til, at den bryder. Det tog ikke nogen fancy resonans for at bringe broen ned, bare en mangel på fremsyn af alle de effekter, der ville være på spil, billige konstruktionsteknikker, og en manglende beregning af alle de relevante kræfter.

Dette var imidlertid ikke en total fiasko. Ingeniørerne, der undersøgte det kollapsede, begyndte hurtigt at forstå fænomenet; inden for 10 år havde de et nyt underfelt for videnskab at kalde deres eget: bridge aerodynamics-aeroelastics. Fænomenet fladder er nu godt forstået, men det skal huskes for at være effektivt., De to broer i øjeblikket spænder over Tacoma indsnævrer “tidligere sti har klippet op disse fejl, men Londons Millennium Bridge og Ruslands Volgograd Bridge har begge haft”fladder”-relaterede fejl udsat i det 21.århundrede.

don”t skylden resonans for den mest berømte bro-sammenbrud af alle. Den sande årsag er meget skræmmere og kan påvirke hundredvis af broer over hele verden, hvis vi nogensinde glemmer at redegøre for og afbøde de fladrende virkninger, der bragte denne ned.