Los puentes hechos de hormigón armado son muy fuertes, especialmente aquellos puentes que cruzan el mar que incorporan varias "tecnologías negras" y pueden soportar fuertes tifones. Por ejemplo, nuestro puente Hong Kong-Zhuhai-Macao está diseñado para tener una resistencia máxima al viento de nivel 16, lo que significa que ni siquiera un tifón de nivel 16 puede detenerlo. Entonces, si hay un Puente del Estrecho que se derrumba después de ser arrastrado por el viento normal, ¿cuál sería la razón?
¿Por qué el viento destruyó el puente Tacoma Narrows?
Lo primero que pensamos fue que el puente tenía problemas de calidad. Pero, de hecho, existe un puente de este tipo. No hubo problemas desde el diseño hasta la construcción, pero el viento lo destruyó fácilmente cuatro meses después de su construcción. Este puente es el "Puente Tacoma Narrows". El puente ha estado meciéndose con la brisa desde su construcción. Sin embargo, la gente no esperaba que un puente así, sin problemas de calidad evidentes, acabaría por derrumbarse.
Esto se debe a un fenómeno de la mecánica de fluidos llamado "calle de vórtices Karman". ¿Qué es una calle de vórtice Karman? Supongamos que hay un río recto que fluye suavemente. Si insertamos un tronco en el centro del río, ¿qué pasará? Generalmente damos esta respuesta: el río se bifurcará debido a la obstrucción del tronco, y una parte fluirá desde el lado izquierdo del tronco y otra parte fluirá desde el lado derecho del tronco. Las corrientes de agua. Se reunirán nuevamente y continuarán fluyendo hacia adelante sin problemas.
Esta es una respuesta que damos por sentado, pero se ajusta a nuestro sentido común y a nuestra lógica, por lo que no solo lo pensamos nosotros, sino que el mentor de von Karman, Ludwig Prandtl, también lo cree. Para estudiar el fenómeno del flujo laminar, Plante pidió a sus alumnos que construyeran un dispositivo similar a un tronco insertado en medio de un arroyo, pero por mucho que lo mejoró, no logró mostrar la situación imaginaria del flujo de agua. bifurcándose y luego convergiendo. Prandtl creía que el dispositivo experimental no estaba perfectamente construido, pero von Karman tenía su propia opinión.
Von Karman descubrió a través de la observación que después de que los troncos obstaculizan el flujo de agua, formará un vórtice escalonado después de fluir a través de los troncos. Una descripción simple es que el flujo de agua pasa rápidamente por el lado izquierdo del tronco y forma un vórtice descendente después de pasar. Luego, el flujo de agua pasa rápidamente por el lado derecho del tronco, empujando el primer vórtice formado hacia afuera y luego. formando un vórtice ascendente, el flujo de agua pasa a través de ambos lados del tronco y forma vórtices que serán empujados por el vórtice recién formado. Von Karman llamó a este fenómeno "Karman Vortex Street".
Vibración de troncos
La aparición de la calle Karman vórtice provocará la aparición de otro fenómeno, es decir, la vibración de troncos. ¿Por qué vibra el tronco? Esto se debe al "principio de Bernoulli". El principio de Bernoulli establece que en un líquido o gas que fluye, cuanto más rápido fluye el fluido, menor es la presión y, a la inversa, cuanto más lento fluye el fluido, mayor es la presión. Cuando ocurre el fenómeno del vórtice de Karman, el agua fluye rápidamente desde el lado izquierdo del tronco. En este momento, la velocidad del flujo en el lado izquierdo del tronco es rápida, por lo que la presión es pequeña, mientras que la velocidad del flujo en el lado derecho. es lento, por lo que la presión es fuerte, por lo que el tronco será empujado hacia la izquierda, y luego el agua fluye rápidamente a través del lado derecho del tronco, por lo que la presión en el lado derecho es pequeña y la presión en el lado izquierdo es fuerte, por lo que el tronco será empujado hacia la derecha. Bajo la interacción de esta fuerza izquierda y derecha, el tronco se forma vibración.
El diseño original tenía peligros ocultos
El Puente de Tacoma es un Puente del Estrecho muy espectacular con una longitud de 1.524 metros, pero el ancho de la plataforma del puente es de sólo 11,9 metros. Cabe decir que todo el puente es delgado y largo, lo que supone el primer peligro oculto de que sea destruido por el viento en el futuro.
Los puentes colgantes generalmente instalan vigas de armadura en ambos lados del puente. Esta es una configuración básica, y el puente Tacoma Narrows no es una excepción. Sin embargo, en su diseño original hay una armadura de 7,6 metros. Debido a limitaciones financieras, el famoso diseñador del puente colgante Moisev lo cambió por una placa de acero de 2,4 metros. Moisef cree que tales cambios no sólo reducirán en gran medida el coste de construcción del puente, sino que también aumentarán su rigidez. No hay duda de que la opinión de Moisef es completamente correcta, pero ignoró que la característica de las vigas tipo celosía es la "ventilación", mientras que las placas de acero son impermeables.
Poco después, se construyó el puente. Las placas de acero a ambos lados del puente bloquearon el paso del flujo de aire, por lo que apareció el fenómeno de la calle Karman vórtice. El puente ha estado temblando desde su construcción.
Aunque el puente temblaba, la gente no pensó que fuera peligroso, sino que se convirtió en una atracción turística hasta que cuatro meses después, porque el puente había estado temblando durante demasiado tiempo, un cable de acero se rompió y el puente pasó de temblar a torcerse. Se movió y finalmente colapsó.
Después del colapso del puente, se llevó a cabo una investigación sobre todo el accidente del colapso del puente y se encontró que no hubo problemas desde el diseño hasta la construcción, por lo que se decidió construir uno nuevo de acuerdo con el plan original. En ese momento, Von Karman también notó esto. Después de hacer algunos cálculos, los cálculos mostraron que el colapso del puente era inevitable, por lo que rápidamente escribió una carta para evitar que volviera a ocurrir el mismo error.