Science byster den största myten någonsin om varför broar kollaps

kollapsen av Tacoma smalnar bron på morgonen den 7 November 1940, är det mest ikoniska exemplet på en spektakulär bro misslyckande i modern tid., Som den tredje största hängbroen i världen, bakom bara George Washington och Golden Gate broar, det kopplade Tacoma till hela Kitsap halvön i Puget Sound,och öppnade för allmänheten den 1 juli 1940. Bara fyra månader senare, under rätt vindförhållanden, drevs bron vid sin resonansfrekvens, vilket fick den att svänga och vrida sig okontrollerbart. Efter böljande i över en timme kollapsade mittsektionen och bron förstördes., Det var ett vittnesbörd om kraften i resonans, och har använts som ett klassiskt exempel i fysik och ingenjörskurser över hela landet sedan dess. Tyvärr är historien en komplett myt.

varje fysiskt system eller objekt har en frekvens som är naturligt inneboende för den: dess resonansfrekvens. En gunga har till exempel en viss frekvens Du kan köra den på; som barn lär du dig att pumpa dig själv i tid med gungan., Pumpa för långsamt eller för snabbt, och du kommer aldrig att bygga upp hastighet, men om du pumpar med precis rätt hastighet kan du svänga så högt som dina muskler tar dig. Resonansfrekvenser kan också vara katastrofala om du bygger upp för mycket vibrationell energi i ett system som inte kan hantera det, vilket är hur ljud ensam vid precis rätt tonhöjd kan orsaka att ett vinglas splittras.

det är vettigt att titta på vad som hände med bron, den resonansen skulle vara den skyldige. Och det är det enklaste fallgropen i vetenskapen: när du kommer med en förklaring som är enkel, övertygande och verkar uppenbar. För i det här fallet är det helt fel. Du kan beräkna vad resonansfrekvensen på bron skulle vara, och det fanns inget som körde på den frekvensen. Allt du hade var en ihållande, stark vind. Faktum är att själva bron inte var böljande vid sin resonansfrekvens alls!,

men historien om vad som faktiskt hände var fascinerande, och håller lektioner — lektioner vi har”t nödvändigtvis lyssnat — för alla broar vi har byggt sedan dess.

När du har ett objekt suspenderat mellan två punkter är det gratis att flytta, vibrera, oscillera etc., Det har sitt eget svar på yttre stimuli, precis som en gitarrsträng vibrerar som svar på yttre excitationer. Det är vad bron gjorde för det mesta: helt enkelt vibrerade upp och ner när bilar passerade över det, när vinden blåste etc. Det gjorde vad någon hängbro skulle göra, bara något mer allvarligt på grund av de kostnadsbesparande åtgärder som genomförts i sin konstruktion. Strukturer som broar är särskilt bra på att kasta denna typ av energi, så att det på egen hand inte utgjorde någon risk för kollaps.,

men när vinden passerade över bron den 7 November, en starkare, mer ihållande vind än den någonsin hade upplevt tidigare, vilket orsakar virvlar att bildas när den stadiga vinden passerade över bron. I små doser skulle detta inte utgöra mycket av ett problem, men ta en titt på effekterna av dessa virvlar på en struktur i videon nedan.

med tiden orsakar de ett aerodynamiskt fenomen som kallas ”fladder”, där extremiteterna i vindriktningen får en extra gungrörelse till dem., Detta gör att de yttre delarna rör sig vinkelrätt mot vindriktningen, men out-of-phase från broens övergripande upp-och-ner-rörelse. Detta fenomen av fladder har varit känt för att vara katastrofalt för flygplan, men det sågs aldrig i en bro tidigare. Åtminstone inte i denna utsträckning.

När fladder effekten började, en av de stål fjädringskablar som stöder bron knäppte, ta bort den sista stora hinder för denna fladdrande rörelse. Det var då de extra vågorna, där de två sidorna av bron rockade fram och tillbaka i harmoni med varandra, började på allvar. Med de ihållande, starka vindarna, de fortsatta virvlarna och ingen förmåga att skingra dessa krafter fortsatte bron att rocka oförminskad och intensifierades till och med. De sista människorna på bron, fotograferna, flydde från platsen.,

men det var”t resonans som förde bron ner, utan snarare den självinducerade gunga!, Utan en förmåga att skingra sin energi, höll den bara vrida fram och tillbaka, och när vridningen fortsatte, fortsatte den att ta skada, precis som att vrida ett fast föremål fram och tillbaka kommer att försvaga det, så småningom leda till att det bryts. Det tog inte någon fin resonans för att få bron ner, bara en brist på framsynthet av alla effekter som skulle vara på spel, billiga byggtekniker och ett misslyckande att beräkna alla relevanta krafter.

detta var dock inte ett totalt misslyckande. Ingenjörerna som undersökte sin kollapsade började förstå fenomenet snabbt; inom 10 år hade de ett nytt vetenskapsområde att kalla sina egna: bridge aerodynamics-aeroelastics. Fenomenet fladder är nu väl förstått, men det måste komma ihåg för att vara effektivt., De två broar som för närvarande spänner över Tacoma smalnar ”tidigare väg har klippt upp dessa brister, men London”s Millennium Bridge och Ryssland”S Volgograd Bridge har båda haft ”fladder”-relaterade brister som exponeras i det 21: a århundradet.

skyll inte resonans för den mest kända bron-kollaps av alla. Den verkliga orsaken är mycket läskigare och kan påverka hundratals broar över hela världen om vi någonsin glömmer att redogöra för och mildra de fladdrande effekterna som tog ner den här.