A ciência derruba o maior mito de todos os tempos sobre por que as pontes caem
A ponte de Tacoma Narrows, torcendo-se ao vento pouco antes de seu colapso em 7 de novembro de 1940. Crédito da imagem: Photolibrarian / flickr.
Você adivinhou 'ressonância'? Adivinhe de novo.
Pelo menos seis postes de luz foram quebrados enquanto eu observava. Alguns minutos depois, vi uma viga lateral saliente. Mas, embora a ponte estivesse se curvando em um ângulo de 45 graus, pensei que ela seria capaz de lutar. Mas, isso não era para ser. – Bert Farquharson
O colapso da ponte Tacoma Narrows na manhã de 7 de novembro de 1940 é o exemplo mais icônico de uma falha espetacular da ponte nos tempos modernos. Como a terceira maior ponte suspensa do mundo, atrás apenas das pontes George Washington e Golden Gate, ela ligava Tacoma a toda a Península Kitsap em Puget Sound, e abriu ao público em 1º de julho de 1940. Apenas quatro meses depois, sob o condições de vento corretas, a ponte foi impulsionada em sua frequência ressonante, fazendo com que ela oscilasse e torcesse incontrolavelmente. Depois de ondular por mais de uma hora, a seção do meio desabou e a ponte foi destruída. Foi um testemunho do poder da ressonância e tem sido usado como um exemplo clássico nas aulas de física e engenharia em todo o país desde então. Infelizmente, a história é um mito completo.
Todo sistema físico ou objeto tem uma frequência que é naturalmente inerente a ele: sua frequência ressonante. Um balanço, por exemplo, tem uma certa frequência na qual você pode conduzi-lo; como uma criança você aprende a bombear-se no tempo com o balanço. Bombeie muito devagar ou muito rápido, e você nunca aumentará a velocidade, mas se você bombear na taxa certa, você pode balançar tão alto quanto seus músculos o levarem. As frequências ressonantes também podem ser desastrosas se você acumular muita energia vibracional em um sistema que não pode lidar com isso, que é como o som sozinho no tom certo é capaz de quebrar uma taça de vinho.
Um copo de vinho, estimulado por um som contínuo no tom/frequência certo, vibrará em tal frequência que as tensões internas o destruirão. Crédito da imagem: Marty33 do YouTube.
Faz sentido, olhando o que aconteceu com a ponte, que a ressonância seja a culpada. E essa é a armadilha mais fácil da ciência: quando você apresenta uma explicação que é simples, convincente e parece óbvia. Porque neste caso, está completamente errado. Você pode calcular qual seria a frequência de ressonância da ponte, e não havia nada dirigindo nessa frequência. Tudo o que você tinha era um vento forte e sustentado. Na verdade, a ponte em si não estava ondulando em sua frequência ressonante!
Mas a história do que estava realmente acontecendo era fascinante e contém lições – lições que não necessariamente ouvimos – para todas as pontes que construímos desde então.
A ponte Capilano em Vancouver, Canadá, é uma das maiores pontes suspensas para pedestres do mundo. Se você atravessar, sairá desorientado das ondulações. Crédito da imagem: Leonard G. da Wikipédia inglesa.
Sempre que você tem um objeto suspenso entre dois pontos, ele fica livre para se mover, vibrar, oscilar, etc. Ele tem sua própria resposta a estímulos externos, assim como uma corda de violão vibra em resposta a excitações externas. Isso é o que a ponte fazia na maioria das vezes: simplesmente vibrava para cima e para baixo quando os carros passavam por ela, quando o vento soprava, etc. Ela fazia o que qualquer ponte suspensa faria, apenas um pouco mais severamente devido às medidas de economia de custos implementado em sua construção. Estruturas como pontes são particularmente boas em liberar esse tipo de energia, de modo que, por si só, não representam perigo de colapso.
À medida que um vento constante passa sobre um objeto sólido, ele cria vórtices, que podem alterar o movimento do objeto restante se sustentado por tempo suficiente. Crédito da imagem: Bernard J. Feldman, The Physics Teacher, v. 41, 92 (fevereiro de 2003).
Mas quando o vento passou pela ponte em 7 de novembro, um vento mais forte e mais sustentado do que jamais havia experimentado antes, causando a formação de vórtices à medida que o vento constante passava pela ponte. Em pequenas doses, isso não seria um grande problema, mas dê uma olhada nos efeitos desses vórtices em uma estrutura no vídeo abaixo.
Com o tempo, eles causam um fenômeno aerodinâmico conhecido como vibração, onde as extremidades na direção do vento recebem um movimento extra de balanço. Isso faz com que as porções externas se movam perpendicularmente à direção do vento, mas fora de fase do movimento geral de subida e descida da ponte. Este fenômeno de vibração tem sido conhecido por ser desastroso para aeronaves , mas nunca foi visto em uma ponte antes. Pelo menos, não nessa medida.
Sob os efeitos da vibração, as asas da aeronave podem dobrar ou até mesmo quebrar completamente. Isso levou ao desaparecimento de vários pilotos e inúmeros acidentes de avião ao longo dos anos. Crédito da imagem: Centro Aeroespacial da Holanda / NLR.
Quando o efeito de vibração começou, um dos cabos de suspensão de aço que sustentavam a ponte se partiu, removendo o último grande obstáculo a esse movimento de vibração. Foi então que as ondulações adicionais, onde os dois lados da ponte balançavam para frente e para trás em harmonia um com o outro, começaram para valer. Com os ventos fortes e sustentados, os vórtices contínuos e nenhuma capacidade de dissipar essas forças, o balanço da ponte continuou inabalável e até se intensificou. Os últimos humanos na ponte, os fotógrafos, fugiram do local.
O fotógrafo Howard Clifford foge da ponte Tacoma Narrows aproximadamente às 10h45 do dia 7 de novembro, poucos minutos antes do colapso da seção central. Crédito da imagem: Arquivos históricos da Tacoma Narrows Bridge da Universidade de Washington.
Mas não foi a ressonância que derrubou a ponte, mas sim o balanço auto-induzido! Sem a capacidade de dissipar sua energia, ele continuou torcendo para frente e para trás e, à medida que a torção continuava, continuava a sofrer danos, assim como torcer um objeto sólido para frente e para trás o enfraquece, eventualmente levando à quebra. . Não foi preciso nenhuma ressonância extravagante para derrubar a ponte, apenas uma falta de previsão de todos os efeitos que estariam em jogo, técnicas de construção baratas e uma falha no cálculo de todas as forças relevantes.
Uma grande parte da estrada de concreto no vão central da nova ponte Tacoma (Wash.) Narrows se lançou em Puget Sound, 07 de novembro de 1940. Crédito da imagem: Imagem de domínio público, do Seattle Post-Intelligencer, 1940.
Este não foi um fracasso total, no entanto. Os engenheiros que investigaram seu colapso começaram a entender o fenômeno rapidamente; em 10 anos, eles tinham um novo subcampo da ciência para chamar de seu: aerodinâmica-aeroelástica de pontes. O fenômeno da vibração é agora bem compreendido, mas precisa ser lembrado para ser eficaz. As duas pontes que atualmente atravessam o caminho anterior do Tacoma Narrows eliminaram essas falhas, mas a Ponte do Milênio de Londres e a Ponte Volgograd da Rússia tiveram falhas relacionadas à vibração expostas no século 21.
Não culpe a ressonância pelo colapso de ponte mais famoso de todos. A verdadeira causa é muito mais assustadora e pode afetar centenas de pontes em todo o mundo se esquecermos de explicar e mitigar os efeitos flutuantes que derrubaram esta.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive !
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