Wie Blumen helfen uns zu verstehen, warum Brücken Zusammenbruch

Die katastrophale Zusammenbruch der Bundesstaat Washington Tacoma Narrows Bridge im Jahr 1940 ins Leben gerufen intensiven Forschung in der Aerodynamik der Brückendesign. Jetzt ein Team der südkoreanische Wissenschaftler identifizierten eine geometrische Struktur, die die komplizierten aerodynamischen Kräfte im Spiel besser standhalten können — und sie fanden ihre Inspiration in der Form eines Narzissen Stammes.

Wenn wind fließt über eine lange Objekt, wie eine Narzisse Stamm, es wirft ein wenig Wirbel Wind auf jeder Seite mit einer kleinen Vortex Tiefdruckgebiete bilden im Gefolge. Der Fachbegriff ist "von Karman Vortex shedding". Halten Sie Ihren Arm aus dem Fenster eines fahrenden Autos und man spürt die oszillierende Seitenkräfte in Aktion. Sie können auch die Wirkung sehen, indem Sie einfach ein Blatt Papier auf den Boden fallen. Es wird hin und her schwanken, wie es fällt, und jeder Sway ist ein Wirbel vergossen.

Physikern aus Seoul National University und Ajou University in Südkorea bemerkt, dass Narzissen Stämme einen Verdrehung Querschnitt ein bisschen wie eine Zitrone geformt haben. Irgendwie konnte diese einzigartige Struktur die Blume Abkehr von starken Winden, um ihre Blütenblätter besser zu schützen. Mithilfe von Computersimulationen von ähnlichen geometrischen Strukturen, fanden die Wissenschaftler, dass die Narzisse Form den Wirbel zu vergießen, wodurch diese bösen Seite Kraft-Fluktuationen gestoppt. Dies reduziert wiederum insgesamt ziehen um mehr als 23 Prozent, im Vergleich zu einem runden Zylinder. Sie beschrieb ihre Arbeit in einem jüngst veröffentlichten Papier in Physik der Flüssigkeiten.

Vortex shedding spielte eine Schlüsselrolle im Einsturz der Tacoma-Narrows-Brücke. Vielleicht hast du gehört, es mit einem Phänomen bekannt als erzwungene Resonanz zu tun hatte: der Wind abgestimmt die Brücke natürlichen Resonanzfrequenz, Energie mit jeder Wellenbewegung zu gewinnen, bis es auseinander brach. Das ist die Erklärung auch hörte ich vor langer Zeit, aber Wissenschaftler haben inzwischen gelernt, sonst. (Sogar die Pressemitteilung für das neue Papier wiederholt die Mythos.)

Die Vortex shedding ist Ursache die Brücke zu "galoppieren" leicht hügelig rauf und runter, als Reaktion auf starke Winde – daher seinen Spitznamen "Galloping Gertie." Und es ist wahr, die Winde stärker waren an diesem Tag im November, und folglich waren die Wellen, die viel höher. Aber weder Wind noch Wellen, näherte sich die natürlichen Resonanzfrequenz der Brücke, je nach Frederick Burt Farquharson, Ingenieur an der University of Washington, die Teil der Untersuchung der Zusammenbruch war.

Jedoch diese Wellenbewegungen schließlich verursachte eines die Tragseile zu schnappen, ein Ungleichgewicht zu schaffen. Die jetzt schiefe Brücke begann entlang der Mittelachse drehen sowie die Wogen, emittierende eine kreischende metallische heulen dabei. Es war dieser neuen Bewegung, die sein Verhängnis erwiesen. Der wahre Schuldige war etwas namens aerodynamisch induzierten Selbsterregung oder "flattern." Es ist im Wesentlichen eine autarke Schwingungs Feedback-Schleife.

Während erzwungene Resonanz durch eine Opernsängerin Erschütterung ein Weinglas mit ihrer Stimme am besten veranschaulicht ist, des Mainboards Alex Pasternack verglich flattern, ein Verstärker, der schreit, wenn es kommt zu nah an das Mikrofon. (Für alle interessierten in die blutigen technische Details, Pasternacks langwierige Prüfung ist ein must-read.) Dass Art von Feedback cool ist, wenn in Maßen von Rockmusikern verwendet, aber das Feedback zu viel, und schließlich bauen zu lassen, werden Sie Ihre Lautsprecher ausblasen.

Das ist im Wesentlichen das, was die Tacoma-Narrows-Brücke passiert ist: jedes Mal, wenn die Brücke entlang der Mittelachse, verdreht es erhöht die Wirkung des Windes statt Dämpfung, mit immer größeren Wirbel, seine Kanten zu vergießen. Das Feedback gehalten Gebäude und Energie, bis schließlich galoppierende Gertie sich auseinander verdreht.

Dies nicht ablenken von den koreanischen Wissenschaftlern Papier Haupt zum mitnehmen: dass Sie Wirbel zu vergießen beseitigen und Luftwiderstand erheblich verringern, durch den Einsatz einer kurvenreichen, spiralförmigen Form, wenn Sie ein Objekt zu entwerfen.

Die Narzisse ungewöhnliche Geometrie ist nicht besonders gut geeignet für Brückendesign und daher hätte nicht galoppieren Gertie erspart. Aber besseres Verständnis für die aerodynamischen Kräfte führt um zu Designs in Zukunft besser zu überbrücken. Und Co-Autor Haecheon Choi sagte, dass er und seine Kollegen haben bereits ein Patent für eine Narzisse inspirierten Golf Club. Ähnliche Prinzipien auch auf Dinge wie Antennen, Laternen, Schornsteine und Wolkenkratzern angewandt werden könnte — alle könnten profitieren Sie von besseren aerodynamischen Design.

[Physik der Flüssigkeiten]