¿Por qué el puente vibra de forma anormal? ¿Cuál es la explicación científica detrás de esto?
Con la llegada de los puentes colgantes modernos, el ser humano ha podido construir puentes cada vez más largos. El tramo de un puente colgante puede ser muy largo y abarcar cañones, ríos y estrechos. Por ejemplo, el puente colgante de Aizhai en China atraviesa un cañón de más de 300 metros de profundidad; el tramo principal del puente sobre el río Yangsigang Yangtze puede alcanzar 1,7; kilómetros, que es el más largo entre los puentes colgantes del mundo. Ocupa el segundo y el primer lugar entre los puentes colgantes de dos pisos del mundo.
Debido a los largos tramos de los puentes colgantes, esto puede causar algunos problemas aerodinámicos. Cuando soplan fuertes vientos a través de un puente colgante, la plataforma del puente puede balancearse en forma de onda, lo que puede hacer que las personas que caminan sobre el puente se sientan muy incómodas. Si es grave, el puente podría sacudirse y colapsar.
Entonces, ¿por qué los puentes colgantes vibran de forma anormal?
Según los principios de la física, cualquier estructura física tiene una frecuencia natural. Si la frecuencia de la vibración forzada se acerca a la frecuencia natural de la estructura física, se producirá el fenómeno de vibración. Si la amplitud es lo suficientemente alta, el resultado será la destrucción estructural.
En el siglo XIX, cuando un grupo de soldados franceses cruzaba un puente de 100 metros de largo con pasos uniformes, la frecuencia generada al caminar al unísono coincidía con la frecuencia natural del puente, provocando que el puente para continuar temblando y luego se produce el fenómeno de vibración. Cuando los soldados caminaron hacia el centro del puente, violentas vibraciones hicieron que el puente colapsara y cientos de personas cayeron al agua y murieron.
Además del ritmo ordenado, el fuerte viento que sopla a través del puente también hará que el puente se sacuda y puede causar vibraciones severas, lo que involucra el efecto de vórtice Karman.
Cuando un viento fuerte sopla lateralmente a través del tablero del puente, se generarán dos vórtices en los lados superior e inferior del tablero del puente. Sus direcciones de rotación son opuestas y entrelazadas entre sí. Esto producirá fuerzas de fuerza periódicas sobre la plataforma del puente, lo que provocará que la plataforma del puente se sacuda. Se trata del efecto vórtice de Karman, cuyo principio fue explicado por primera vez por von Karman, el padre de la tecnología aeroespacial moderna.
Si el efecto del vórtice Karman es muy fuerte, la amplitud de vibración del tablero del puente aumentará, llegando eventualmente a la frecuencia natural del puente. Como resultado, se producirá un fenómeno de vibración y el puente vibrará violentamente, provocando que se derrumbe. Esto ha sucedido en la realidad.
En 1940, el puente colgante Tacoma Narrows que cruza Tacoma Narrows se completó y se abrió al tráfico. Sin embargo, apenas unas semanas después, el puente empezó a vibrar de forma anormal. Después de meses de balanceo, la plataforma del puente Tacoma Narrows finalmente se torció y se rompió, provocando el colapso del puente.
Según las pruebas en el túnel de viento del modelo Tacoma Narrows Bridge, la causa del colapso del puente fue el violento fenómeno de vibración provocado por el efecto vórtice Karman. La plataforma del puente Tacoma Narrows no era lo suficientemente gruesa para soportar el efecto de vórtice Karman causado por los fuertes vientos, y vientos de 65 km/h finalmente derribaron el puente.
Después, se comprendió que era necesario realizar pruebas rigurosas del modelo en un túnel de viento antes de poder construir el puente. Además, se deberían diseñar algunos orificios de ventilación en el puente para destruir el efecto del vórtice Karman. Diez años después, el nuevo puente Tacoma Narrows se construyó nuevamente después de rigurosas pruebas de simulación y todavía hoy tiene tráfico normal.
El diseño de los puentes modernos tendrá en cuenta el efecto de vórtice de Karman, y es básicamente imposible que se derrumbe como el puente colgante de Tacoma Narrows en el futuro.
Sin embargo, dentro del alcance permitido por el diseño, el tablero del puente a veces experimenta altibajos. Esta sacudida es un fenómeno de vibración normal inducido por vórtices. La razón puede deberse a cambios en la sección transversal del tablero del puente, por ejemplo, la colocación de barreras para caballos de agua. Siempre que la amplitud de vibración no sea grande y no exceda el rango de diseño, no habrá problemas con el puente.