Аэроупругость, или тростник, колеблемый на ветру

Позади какого-либо препятствия, например дерева или каната, поток воздуха или воды образует завихрения. Такие завихрения можно увидеть, посмотрев на тростник или камыш, растущий в медленно текущей реке. Завихрения чаще всего образуются попеременно то с одной, то с другой его стороны. Это приводит к возникновению периодических колебаний давления в потоке: давление попеременно становится большим то на одной, то на другой стороне препятствия. Возникающая последовательность, или "дорожка" вихрей, называется "дорожкой Кармана" по имени впервые описавшего ее ученого-механика. Довольно часто можно видеть вихри на гладкой поверхности воды; воздушные вихри обычно невидимы, но их можно заметить по движению дыма, опадающих листьев или с помощью других индикаторов. В действительности такая же дорожка вихрей возникает и в потоке воздуха за флагом, деревом или проводом.

В результате такого попеременного образования вихрей то по одну, то по другую сторону препятствия полощутся на ветру флаги, качаются деревья, гудят и поют телеграфные провода. Именно поэтому свободное полотнище паруса хлопает на ветру и вполне может разорваться или ушибить. Я однажды сам видел, как человека сбила с ног вырвавшаяся рея шкота; в ней была запасена довольно большая энергия. Когда в свежий ветер большой корабль поворачивает на другой галс, издаваемый парусами хлопок бывает громче пушечного выстрела.

Если частота аэродинамического воздействия, вызванного вихрями, совпадет с одной из собственных частот колебаний обтекаемого тела, то амплитуда колебаний в этом теле может возрастать до тех пор, пока что-нибудь в нем не сломается. Именно благодаря этому механизму, а не постоянному давлению ветра ломаются в бурю деревья. То же самое довольно часто происходит с самолетами и подвесными мостами. Этого можно избежать, если сделать конструкцию достаточно жесткой, особенно на кручение. Как мы уже отмечали, именно требования достаточной крутильной жесткости в основном определяют проектирование и вес конструкции современного самолета.

Хотя подвесной мост Телфорда через Менай уже вскоре после своей постройки довольно сильно пострадал от вызванных ветром колебаний, потребовалось около ста лет, чтобы строители мостов осознали реальную опасность этого явления. Классическая катастрофа такого рода произошла в 1940 г. с мостом Тэкома Нэрроуз в США. Этот мост с пролетом в 840 м не имел достаточной жесткости на кручение. Уже при среднем ветре размах колебаний достигал такой величины, что местные жители прозвали его "скачущей Гертой". Довольно скоро после постройки при ветре всего около 70 км/час амплитуда его раскачки и крутильных колебаний достигла критической величины и он обвалился. Случилось так, что рядом оказался кто-то с заряженной кинокамерой в руках. Камера работала, и стоимость пленки оказалась прекрасно вложенным капиталом, поскольку с тех пор ее показывают по всему миру практически во всех инженерных институтах (рис. 157).

Рис. 157. Кадры, запечатлевшие разрушение подвесного места Тэкома Нэрроуз[129].

Этот опыт учли, и современные подвесные мосты имеют достаточную жесткость, особенно на кручение. Как и в случае самолетов, вес элементов, обеспечивающих нужную жесткость моста, составляет довольно значительную долю его общего веса. Так, пролет автомобильного моста через Северн (рис. 86) выполнен из огромных стальных труб шестигранного сечения, изготовленных из листов малоуглеродистой стали. При сооружении моста они секциями сплавлялись по воде, поднимались на место и затем сваривались в сплошную конструкцию.