Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

Хотя многие преподаватели физики используют разрушение этого моста как впечатляющий пример резонанса, оно не связано ни с резонансом, ни с галопированием. Обрушение стало следствием вибраций и кручений. На самом деле причиной был ветер. Его направление практически не менялось, не было порывов ветра с частотой, близкой к собственной частоте колебаний моста. Вокруг моста действительно были завихрения (вихри Кармана), сродни вихрям вокруг телеграфного провода при ветре. Такие вихри могут вызвать сильные колебания, если частота, при которой они появляются, совпадет с собственной частотой колебаний провода. Нарастание амплитуды колебаний происходило из-за положительной обратной связи: при смещении полотна моста сила давления ветра на него возрастала. В авиации этот эффект называется «флаттер».

Почему в ветреный день особенно достается людям, идущим вблизи зданий? Почему, если вам требуется находиться около здания, но не хочется испытывать на себе порывы ветра, вам лучше стоять? Почему строения раскачиваются на ветру? У некоторых зданий имеются арки на уровне земли, предназначенные либо для проезда машин, либо для пешеходов. Почему ветер там особенно сильный?

ОТВЕТ •Воздушный поток, огибая углы зданий, разбивается на вихри, или воронки (см. рис. 2.2а). Поэтому идущий по тротуару пешеход чувствует ветер сильнее всего либо вблизи угла здания, либо сразу после поворота. Позади здания ветер самый слабый. Там может быть относительно спокойно. За домом давление воздуха, скорее всего, будет ниже, что может стать причиной выдавливания наружу окон. Иногда окна даже вываливаются.

Рис. 2.2 / Задача 2.5.a) Воздушный поток разбивается на вихри возле углов здания. б) Особенно ветрено может быть между домами, расположенными в шахматном порядке.

Порывы ветра будут меньше и в том месте с наветренной стороны, где воздушный поток делится на две части, так что одна его часть огибает здание с одной стороны, а другая — с другой.

Если в здании есть сквозной проход, через который может дуть ветер, воздушный поток ускоряется: его затягивает в проход, как в воронку. Отсюда есть два следствия. Во-первых, ветер заставляет пешехода пригнуться или даже может сбить с ног. Во-вторых, давление воздуха в проходе уменьшается, поскольку часть его энергии тратится на увеличение скорости (уравнение Бернулли). Поэтому вдоль прохода окна и двери выгибаются наружу. В некоторых случаях окна даже разбиваются, а двери не удается закрыть.

Когда рядом расположены несколько высоких зданий, картина образования вихрей и структура разделенного воздушного потока оказывается более сложной. Например, если два высотных здания расположены ступенькой по отношению к направлению воздушного потока, область низкого давления с подветренной стороны позади первого здания «оттягивает» воздушный поток с расположенного с наветренной стороны фасада второго здания, приводя к сильному завихрению воздушного потока между зданиями (рис. 2.2б). Другая ситуация: стоящие недалеко друг от друга здания образуют прямоугольник, внутри которого проходит улица. Тогда улица, параллельная направлению ветра, может фактически стать аэродинамической трубой. Если вы выходите на одну из таких улиц с подветренной стороны здания, вас может сбить с ног. Более того, поскольку воздушный поток втягивается в улицу, как в воронку, давление здесь уменьшается, из-за чего выходящие на улицу окна выдавливаются наружу.

Изменение давления ветра с наветренной стороны здания может вызвать его раскачивание или вибрацию, при этом сильнее всего колеблется верхушка здания. Иногда это вызывает у жильцов чувство тошноты. Тошноту могут вызывать и ультразвуковые или внятно слышимые завывания, источником которых служат вихри, образовавшиеся вблизи углов здания при сильном ветре. Высотные здания, обычно раскачивающиеся на сильном ветру, оборудуют различными демпфирующими устройствами, гасящими колебания. Например, устанавливают на крыше устройство с блочной пружиной, где тяжелый блок движется в направлении, противоположном движению здания.

Ураганный ветер при тропическом циклоне или торнадо может снести небольшие жилые дома и даже большие здания. Он может сорвать с дома крышу, подцепив ее с наветренного края, а если давление над крышей существенно понижается, ветер вырывает и уносит крышу по кускам. Кроме того, очень сильный ветер может не только вдавить окна внутрь здания с наветренной стороны, но и выдавить их наружу на подветренной стороне или там, где происходит образование вихрей.

Как змей удерживается в воздухе и что определяет его устойчивый полет? Почему полет иногда становится хаотическим, а змей начинает трепыхаться, описывая петлю за петлей?

ОТВЕТ •Треугольный змей представляет собой гибкую поверхность, наклоненную под некоторым углом к направлению ветра. Этот угол называют углом атаки . На змея действуют четыре силы. 1. Гравитационная сила, которая, конечно, тянет его вниз. 2. Поверхность змея отклоняет воздушный поток, и, следовательно, на него действует направленная вверх подъемная сила . 3. Кроме того, тянущее усилие действует в направлении воздушного потока. 4. Бечевка создает силу, действующую вниз и вдоль направления ветра.

Если полет змея нестабилен, вращающий момент этих сил закручивает его вокруг точки крепления на уздечке, где основная длинная бечевка разделяется на отдельные нити, идущие к разным точкам на каркасе змея. Вращение меняет угол атаки змея, а следовательно, меняются подъемная сила и сила тяги. В результате змей не только поворачивается, но и поднимается вверх. Движение вверх меняет угол между силой натяжения нити и каркасом в точке крепления, а следовательно, горизонтальную и вертикальную компоненты натяжения бечевки.

Змей летит устойчиво при равенстве нулю трех величин: 1) вращающего момента, 2) равнодействующей всех вертикальных сил и 3) равнодействующей всех горизонтальных сил. Чтобы все эти величины обратились в нуль, змей должен быть не только правильно ориентирован, но также нужно тянуть за бечевку под правильным углом. Когда эти условия соблюдены, говорят, что змей находится в равновесном состоянии . При заданной скорости ветра равновесных состояний может быть несколько. Если скорость ветра меняется, чтобы змей оказался в новом равновесном состоянии, следует изменить и ориентацию змея, и угол между бечевкой и каркасом.