Смирнов Г.В. - Рожденные вихрем (1107599), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Фаркарсон, и возле Такомского моста он оказался с киноаппаратом вовсе не случайно... Пущенный в эксплуатацию 1 июля 1940 года Такомский подвесной мост, считавшийся третьим в мире по длине пролета, поразил американцев одним удивительным свойством: даже при умеренном ветре его дорожный настил начинал «галопировать» — подниматься и опускаться примерно на метр от положения равновесия. Слухи об этом быстро распространились по всей стране, и в штат Вашингтон потянулись на автомобилях.любители острых ощущений, жаждавшие прокатиться в ветреную погоду по «галопирующему мосту». Администрация же штата, обеспокоенная столь необычным поведением сооружения, за которое было уплачено 6;4 млн. долларов, установила за ним наблюдение, так что 7 ноября 1940 года недостатка в свидетелях небывалой катастрофы не было...
В этот день над штатом разразился шторм и скорость ветра достигала 65 км/ч. Автомобилисты с восторгом носились на своих машинах по ритмически раскачивающемуся настилу. Но в 10 часов утра раскачивание вдруг прекратилось и перешло в жесточайшие крутильные колебания. Дорожный настил скручивался наподобие штопора с такой силой, что фонарные столбы занимали горизонтальное положение.
Любителей острых ощущений сдуло как ветром: вместе с инженерами-наблюдателями онн столпились на берегу, глазея на проис. ходящее. Целый час страшные неведомые силы скручявали мостовой настил, и, наконец, конструкция не выдержала — центральный пролет со страшным грохотом рухнул вниз. Потеряв равновесие, опоры опрокинулись к берегу, и их удар по береговым участкам настила был столь силен, что профессора Фаркарсона сбросило наземь, и ему пришлось на четвереньках добираться до берега, сжимая в руке киноаппарат с драгоценными кадрами... Что же произошло? Неужели такой опытный мостостроитель, как Л.
А. Моисеев, спроектировавший Такомскнй мост, ие произвел оценки ветровой нагрузки? Оцен- ки, которую еше в 1880-х годах предпринял Б. Бейкер— строитель знаменитого Фортского моста в Англии. Исследовав действие ветра на поставленные перпендикулярно к нему пластины, Бейкер установил, что малые пластины оказывают ветру большее сопротивление на единицу плошади, чем крупные.
За прошедшие с тех пор пятьдесят лет аэродинамические исследования строительных конструкций широко вошли в практику проектирования и дали весьма необычные и интересные результаты. Так, систематические испытания геометрических тел, стоящих на плоскости, — кубов, цилиндров, призм, пирамид, конусов — показали, что наибольший коэффици ент сопротивления у квадратной призмы, стояшей поперек потока, — 1,5, а наименьший — 0,73 в у конуса. Это достаточно большие величины.
Например, трехгранная пирамида «Трилон» высотой 205 м, сооруженная на одной из всемирных выставок, имела коэффициент сопротивления 0,88 — 1,43. При урагане со скоростью ветра 200 км/ч изгнбаюшая сила составила 450 т. Испытания модели знаменитого нью-йоркского небоскреба «Эмпайр Стейт Билдинг» показали, что коэффициент его сопротивления равен 1,5.
Для сравнения укажем, что этот коэффициент для <летающей крепости» второй мировой войны составлял всего 0,033. Считая эффективную плошадь поперечного сечения этого здания равной 9000 кв. м, нетрудно вычислить, что при урагане со скоростью ветра 160 км/ч сила, действующая на это сооружение, будет равна 2 тыс.
т! Особенно интересные результаты были получены при аэродинамических испытаниях всевозможных сооружений необычных форм для всемирных выставок. Так, иа одной из них было решено построить гигантскую. сферу. И вот какие неожиданные результаты бь1ли получены прн продувках. Если коэффициент сопротивления изолированного шара составляет всего 0,19, то вблизи земной поверхности он уже имеет коэффициент сопротивления 0,3. Добавление опорных колонн повышает это значение до 0,49, а замена их одной цилинзрической опорой — до 0,58. Но это еще не все: около земной поверхности шар испытывает не только сопротивление, ио и подъемную силу! Да и немалую; в последнем варианте она почти равна силе сопротивления! 184 Конечно, Моисеев знал о важности учета ветровой нагрузки. Больше того, спроектированный им мост был рассчитан на то, чтобы выдерживать ветры ураганной силы.
Но кто же мог предположить, что он развалится от крутильных колебаний балки жесткости, вызванных ветром весьма умеренной силы? Исследование катастрофы показало, что мост был разрушен вихревой дорожкой фон Кармана — той самой, которая образуется в потоке за телами с тупыми кормовыми оконечностями.
Балка жесткости Такомского моста оказалась самой невыгодной с точки зрения генерирования мощных воздушных вихрей, периодический отрыв которых от верхней и нижней ее кромки создавал значительные по величине вертикальные силы. Получилось так, что частота отрыва этих вихрей при умеренном ветре совпала с частотой собственных крутильных колебаний балки, и они непрерывно нарастали, пока конструкция не выдержала и не рухнула в воду.. Крушение Такомского моста вызвало переполох в США. Все крупнейшие висячие мосты страны были подвержены проверке, и выяснилось: почти все онн в той или иной степени подвержены колебаниям под действием ветров постоянной скорости. Устранение этих колебаний потребовало создания новой инженерной дисциплины — аэродинамики мостов, которая предложила ряд рекомендаций для зашиты от «галопнрования»: для уже существующих мостов — подкрепление балок жесткости, а для вновь проектируемых — применение решетчатых балок вместо сплошных.
Позднее, после обстоятельных продуйок в аэродинамических трубах, было найдено более радикальное решение: поперечному. сечению балки жесткости надо придавать профиль, близкий к аэродинамическому профилю крыла, который позволяет избежать возникновения вихрей. Придирчивая аэродинамическая отработка всех элементов конструкции привела к тому, что ветровая нагрузка на мост через реку Северн в Англии, построенный в 1960-х годах, оказалась в три раза меньше, чем на уже упоминавшийся нами Фортский мост. Конечно, мосты не единственные конструкции, подверженные действию сил, возникающих прн отрыве воздушных вихрей за плохо обтекаемыми телами.
Эти силы раскачивают металлические дымовые трубы и мачты, заставляют «дышатьэ градирни и цилиндрические резер- 185 вуары, вызывают «галопирование» проводов на линиях электропередач. Вот почему в проектировании строительных конструкций в последнее время все чаще и чаще находит применение опыт авиаконструкторов и кораблестроителей. Так, установка геликоидальиых 'насадок на стенках металлических труб и мачт, предотвращая образование крупных вихрей, прекращает их раскачивание. «Галопирование» проводов устраняют, наклеивая на их поверхность пластиковую ленту, которая придает проводу более обтекаемую форму н устраняет образование крупных вихрей. Колебания удается подавлять также с помощью всевозможных демпферов, ребер, обтекателей и т.
д. «Аэродинамическая поэма» После создания теории гидроаэродинамического сопротивления стало ясно, какими необычными и нетривиальными процессами сопровождается полет в воздухе всевозможных шаров и мячей. О коварстве «резаных» мячей в теннисе и ударов «сухой лист» в футболе, где проявляется действие магнусовой поперечной силы говорили и писали немало. Но оказывается еще более сложно и необычно поведение мячей, применяемых 'в некоторых других играх.
Так, изготовители спортинвентаря опытным путем установили, что гольфовый мяч с неглубокими ямочками на поверхности летит при удачном ударе клюшкой на 200 — 230 м — в 6 — 7 раз дальше, чем точно такой же идеально гладкий мяч. После исследования Прандтля стало ясно, что ямочки — те же турбулизаторы, резко снижающие величину критической скорости для такого мяча. В результате он большую часть своего пути испытывает гораздо меньшее сопротивление, чем гладкий мяч, и летит значительно дальше.
Иначе ведет себя гладкий мяч. Выброшенный со сверхкритической скоростью, он первые десять метров летит, как мяч с ямочками. Но вот скорость снизилась до критической, сопротивление резко возросло, мяч затормозился и упал на землю, не пролетев и 30 — 40 м. И выходит: шар с шероховатой поверхностью летит дальше и быстрее, чем идеально гладкий. Парадоксальный результат, который трудно было предвидеть заранее! Но настоящей «аэродинамической поэмой» можно 186 было бы назвать необычное, часто непредсказуемое поведение в воздухе крикетного мяча. Крикет — разновидность лапты.
Мяч для него весит 140 г и состоит из двух кожаных полусфер, туго набитых пробковой крошкой и сшитых посередине шестью рядами стежков. Общая ширина шва 20 мм, и это единственная неровность на гладкой блестящей поверхности мяча, наделенного поистине прихотливым нравом. Иногда он ведет себя как положено: летит по строго баллистической траектории без всяких отклонений.
Но иногда, посланный точно в руки игрока, он ни с того ни с сего берет правее или левее. А то и вовсе начинает куролесить: начав движение по баллистической траектории, он словно передумывает.и на полпути либо резко замедляет движение, либо сворачивает в сторону. Правда„ «с возрастом» характер крикетного мяча улучшается и он перестает своевольничать. Исследования показали, что главный виновник всех этих странностей — шов.
Если в момент удара он располагается точно поперек или вдоль направления полета, картина обтекания мяча строго симметрична и.никаких отклонений не возникает. Но если шов расположен под углом к направлению полета, то при скорости меньше критической он оказывается отличным турбулизатором пограничного слоя. Турбулизированные швом части пограничного слоя загибаются за кормовую оконечность мяча, .симметрия нарушается, и появляются отклоняющие силы. Когда крикетному мячу сообщают сверхкритическую скорость, шов перестает играть роль турбулизатора, и мяч летит по баллистической траектории без отклонений.
Но как только скорость снижается до критической, положение меняется. Если шов расположен поперек яли вдоль направления полета, мяч резко тормозится, но летит в прежнем направлении. Если же шов находится под углом к потоку, мяч, затормозившись, еще и отклоняется в ту или иную сторону. Мячи, много раз бывшие в игре, постепенно утрачивают гладкую поверхность. Она становится грубой, шероховатой, на ней появляются вмятины и бугры, швы смииаются, и постепенно крикетный мяч становится похож иа гольфовый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
