Травинка, що співає, і Орімський міст

Візьміть довгий вузький лист трави, затисніть його між підставами і кінцями великих пальців рук і злегка натягніть в цьому положенні. Піднесіть травинку до губів і сильно подуйте на неї: роздасться досить гучний і не надто мелодійний свист. Якщо не виходить, візьміть травинку за кінці і розташуйте її горизонтально (руба до рота). Якщо зараз зима, травинку можна замінити паперовою стрічкою.

За цим нескладним досвідом стоїть хороша фізика. Почнемо з найпростішого питання: як травинка створює звук? Ще стародавні греки розуміли: звук зазвичай виходить внаслідок удару. Під дією травинка, що налітає повітря, коливається кілька сотень коливань за секунду *. Ці коливання можна відчути губами, якщо доторкнутися ними до травинки, коли вона свистить. Травинка коливається і вдаряє по навколишньому повітрю, створюючи в ньому поперемінні згущення і розріження. Ці згущення і розріження поширюються в усі сторони у вигляді звукової хвилі, яка досягає наших вух.

Очевидно, що травинку змушує коливатися повітря, що налітає на неї. Правда, щоб вітер не просто відтягував травинку, а саме коливав її, травинка повинна повертатися туди-сюди, відштовхуючись від потоку то однією, то іншою своєю поверхнею. Тобто травинка повинна крутитися в різні боки навколо своєї осі. Але чому вона це робить? Адже якщо постійний потік повітря повернув травинку в якусь сторону, він же буде перешкоджати її поверненню назад, хіба не так?

Це останнє питання — зовсім не просте. Щоб розібратися з ним, змінимо масштаб явища і поговоримо про вітрові коливання ^ мського мосту, катастрофа з яким сталася в Сполучених Штатах у 1940 році.

Висячі мости гарні тим, що вони дозволяють перекривати великі прольоти без проміжних опор, а значить, дно під ними може бути досить глибоким. Їх полотно висить зазвичай на великій висоті, так що під ним можуть проходити океанські кораблі. Великі висячі мости сучасної конструкції вперше почали будувати в Північній Америці. У 1937 році в Сан-Франциско був відкритий знаменитий міст Золоті Ворота, відстань між опорами якого становить 1280 метрів.

Аналогічний міст з відстанню між опорами в 854 метри був побудований в 1940 році через протоку ^ ма Нерроуз в штаті Вашингтон. Конструкцію цього мосту ви бачите на фотографії; зверніть увагу, яка вона легка і ажурна.

Однак будівельники помітили, що під поривами вітру міст починає помітно розгойдуватися, хоча тоді цьому не надали надто серйозного значення.

Катастрофа трапилася 7 листопада того ж року. Цього дня вздовж затоки і поперек моста дув сильний вітер, швидкість якого сягала 20 метрів на секунду. О 10 годині ранку міст почав розгойдуватися, причому не зовсім зазвичай: його полотно закручувалося то в одну, то в іншу сторону, нахиляючись до 45 ° до горизонталі.

Рух через міст було зупинено. Посеред моста залишилася одна машина, водій якої побоявся вести її далі, вийшов з неї і дійшов по розкачуваному полотну до берега. Вийшло так, що розкачку моста спостерігав професор Фредерік Фаркарсон, один з конструкторів мосту; і вона була знята на кінокамеру власником місцевого фотомагазину (пошукайте цей фільм в Інтернеті). Через годину після початку розкачки конструкція моста ослабла настільки, що почали рватися вертикальні троси підвісу і все полотно обрушилося вниз.

Чому дувший поперек моста вітер викликав його крутильну розкачку? Інженери та вчені витратили багато зусиль на те, щоб розібратися з цим питанням: адже від відповіді на нього залежала міцність майбутніх мостів.

Запропоноване вченими пояснення пов’язує розкачку моста не просто з дією постійного потоку вітру, але з періодичним виникненням вихорів. Ось спрощена схема цього процесу. Припустимо, що під дією вітру полотно моста нахилилося за годинниковою стрілкою. Над полотном за його боковою стінкою при цьому закручується повітряний вихор. Усякий вихор являє собою зону зниженого тиску — це ми знаємо зі спостережень за циклонами і смерчами. Знизу під передньою кромкою моста налітає повітря створює підвищений тиск, а зверху всередині вихора тиск повітря знижено — тому полотно продовжує нахилятися далі. Однак при досить великому вугіллі нахилу вихор зноситься за вітром до задньої кромки полотна. В результаті зона зниженого тиску переміщується так, що міст зупиняється і починає крутитися проти годинникової стрілки. Полотно проходить через нейтральне положення, після чого новий вихор виникає за бічною стінкою вже не над, а під полотном моста. Ці зноси вихорів повторюються раз за разом, розгойдуючи міст все сильніше і сильніше.

Напір повітря скручує свистячу травинку то в одну, то в іншу сторону так само, як і ^ мський міст. Оскільки її розміри в кілька тисяч разів менші від розмірів мосту, частоти коливань тут теж різняться в кілька тисяч разів, так що травинка видає свистячий звук.

Художник Артем Костюкевич

^* Уповільнену зйомку цих коливань можна подивитися на нашому сайті.