Tudja-e, hogy mi a rezonanciakatasztrófa?

Repülés közben a gép szárnyáról örvénysorok szakadnak le (A kép illusztráció)

A repülés hőskorában több olyan, látszólag megmagyarázhatatlan katasztrófa történt, amikor ismeretlen okból letört a gép szárnya, és a repülő tehetetlen meteorként zuhant a mélybe. Máskor nótázva masírozó katonák alatt szakadt le a híd. Az egymástól látszólag különböző baleseteknek ugyanaz a fizikai magyarázata, amit csak úgy emlegetnek, hogy rezonanciakatasztrófa.

Gyilkos örvénylések és rezonanciák

A repülés hőskorában nem volt ritka, hogy levált a repülőgépek szárnya, többnyire emelkedés, vagy leszállás közben.Ilyen katasztrófa történt például 1940-ben Debrecenben, amikor egy ünnepségről visszatérő, sajtótudósítókat szállító repülőgép búcsúkört írt le a repülőtér felett, és levált a szárnya.

Repülés közben a gép szárnyáról örvénysorok szakadnak le (A kép illusztráció) Forrás: Aviation

A tragédia okának megértéséhez repülőgép modellt helyeztek a szélcsatornába,

a szárnyára iront erősítettek, majd légáramot bocsátottak a makettre. Miközben egyre erősebb légáramlatot hoztak létre, egy adott szélerőségnél a modell szárnya igen erős rezgésbe jött.

A szárnyról leváló örvények okozta rezonancia bizonyos esetben a szárny letöréséhez vezethet ( A kép illusztráció) Forrás: This is Flight

A szárnyakra erősített iron papírszalagra rögzítette a rezgések amplitúdóit. A baleset kivizsgálása során végül megállapították, hogy a szárnyról leváló örvények miatt lépett fel az erős rezonancia, és ez okozta a tragédiát

Megváltoznak a nyomásviszonyok a szabálytalanul áramló levegőben

Kármán Tódor (1881-1963) magyar gépészmérnök és fizikus, a modern aerodinamika atyja, kutatta a testre ható aerodinamikai felhajtóerőt illetve azt, hogy milyen a legmegfelelőbb szárnyprofil.. E kísérletek közben fedezte fel az akadály (szárny) körül leszakadó örvénysorokat (Kármán-féle örvénysor).

Kármán Tódor professzor, a modern aerodinamika atyja Forrás: Wikimedia Commons

Sikerült megállapítani, hogy az akadály körül képződő áramlásban leszakadó örvénysorok keletkeznek.

Az örvénylő, nem szabályosan áramló levegőben mások a nyomásviszonyok, mint az egyenletesen áramlóban.

Repülés közben a repülőgép szárnya mögött olyan örvények keletkeznek, amelyek leszakadnak a szárnyról. Ettől megváltozik a szárny kilépőélére ható erő, és a szárny rezgésbe jön. A szárnyra ható impulzusok egyenesen arányosak a gép sebességével, azaz minél gyorsabban halad a repülőgép, annál szaporábbak ezek az impulzusok.

A modern gépek szárnyai végére szerelt "winglet" az áramlás szárnyakról történő hirtelen leválását akadályozza Forrás: Aviation

Egy bizonyos sebességnél az örvényleszakadások üteme megegyezik a szárnyak önrezgésével,

és olyan rezonancia keletkezik, amitől a szárny letörik.Hogy a tragédiák elkerülhetők legyenek, a mérnökök mindig kiszámítják ezt a kritikus sebességhatárt, amit a pilótáknak figyelembe kell venniük repülés közben.

Aki nem lép egyszerre...

Ugyanily okból nem szabad menetelni a hídon. A múltban például több katasztrófa adódott abból, hogy a hídon áthaladó és egyszerre lépő katonák menetelése, vagy az ütemes széllökések olyan rezgéseket gerjesztettek, amelyek megegyeztek a híd sajátfrekvenciájával, és a híd leszakadt.

Ilyen okra volt visszavezethető például az 1850-ben Angrensben történt tragédia,

amikor összeomlott a 102 méter hosszú lánchíd, és a hídon menetelő 236 katona vízbe fulladt.

A híd anyagából és méretéből kiszámítható, hogy mekkora az a terhelés okozta lehajlás illetve erő, aminél bekövetkezhet a törés ( A kép illusztráció) Forrás: Seattle Bridges

Skóciában 1879 karácsony estéjén egy vasúti híd szakadt le, mivel a széllökések rezgésbe hozták a hidat, amit fokozott, hogy a rajta áthaladó vonat sínek közti zökkenései is megegyeztek a híd önrezgésével. Nauenben az első németországi rádiótorony a széllökések okozta rezonanciától tört ketté. Több olyan épületkatasztrófa is ismert, amit a házakban dolgozó gépek okoztak azzal, hogy az általuk keltett rezonancia megegyezett a ház rezgéseivel.

Mélybe szakadt a Tacoma-híd

Az egyik leghíresebb eset, a Tacoma-híd katasztrófája 1940-ben Washington államban (Amerikai Egyesült Államok) történt , amely még azt megelőzően leszakadt, hogy teljesen átadták volna a forgalomnak. A széllökések által keltett légörvények impulzusa megegyezett a híd sajátfrekvenciájával, amitől akkora amplitúdójú, csavarodó rezgések jöttek létre, hogy a híd szerkezete nem bírta a terhelést, és leszakadt.

A leszakadt Tacoma-híd Forrás: History of Bridges

Kármán Tódor bízták meg a vizsgálattal, aki megállapította,hogy tervezési hiba történt. A híd formája miatt ugyanis a szélben leszakadó örvénysorok keletkeztek, amelynek következtében végzetes rezonancia lépett fel..

A híd anyagából és méretéből kiszámítható, hogy mekkora az a terhelés okozta lehajlás illetve erő, aminél bekövetkezhet a törés.

Amikor például a hídon dobbantunk, rendkívül kicsiny mértékben, de a híd lehajlik.

Azonban, ha sokan menetelnek a hídon, és a dobbantások rezonanciája megegyezik a híd lengésével, a híd leszakadhat. Ma már a mérnökök fokozottan ügyelnek arra, hogy ne léphessenek fel ilyen káros rezonanciák a hidakon, a gépekben, és az épületekben.

(Szomor Anikó összeállítása)