هل تساءلت يومًا عن سبب اهتزاز الجسور والطائرات في ظروف معينة؟ إن فهم الأنواع المختلفة من الاهتزازات - مثل الرنين والرفرفة والاهتزازات - يمكن أن يفسر هذه الظواهر. تتناول هذه المقالة سبعة أنواع محددة، لكل منها أسباب وتأثيرات فريدة على الهياكل. سوف تتعلم كيف تؤثر هذه الاهتزازات على التصميمات الهندسية وتدابير السلامة.
عندما يتعرض نظام ما لإثارة خارجية، يمكن أن تصبح سعة الاهتزاز القسري كبيرة جدًا إذا كان تردد الإثارة قريبًا من أحد الترددات الطبيعية للنظام. ويشار إلى ذلك بالرنين.
تحتوي الأنظمة على العديد من الترددات الطبيعية، لكننا عادةً ما نركز على الترددات في النطاق الأدنى.
في الفيزياء، يشير الرنين إلى ظاهرة وجود جسمين لهما نفس تردد الاهتزاز يتسببان في اهتزاز جسم ثالث عندما يهتز أحدهما.
يُستخدم مصطلح "الرنين" أيضًا في علم الميكانيكا لوصف الظاهرة التي ينتج فيها جسم ما صوتًا بسبب الاهتزاز عند تردد الرنين الخاص به.
على سبيل المثال، عندما يتم وضع شوكتين رنانتين لهما نفس التردد بالقرب من بعضهما البعض، ستصدر إحداهما صوتًا عندما تهتز وتبدأ الأخرى في الاهتزاز وتصدر صوتًا أيضًا.
يشير الاهتزاز الدوامي إلى الاهتزاز الناجم عن تناوب الدوامة بعد التدفق حول جسم صلب تحت تأثير الرياح المتوسطة.
تعد دراسة اهتزاز الدوامة في الجسور مجالاً ضمن الديناميكا الهوائية.
الاهتزاز الناجم عن الدوامة للجسور هو نوع من الاهتزازات التي لها خصائص اهتزاز ذاتي واهتزاز قسري على حد سواء، مع سعات محدودة.
يمكن أن يحافظ على ثبات التردد الناتج عن الدوامة ضمن نطاق واسع من سرعات الرياح، مما يؤدي إلى ظاهرة "التثبيت".
يعد حساب السعة المحدودة للرنين الناجم عن الدوامة الجسرية مشكلة حاسمة ولكنها صعبة.
في الوقت الحالي، لم يتم تطوير نظرية شاملة لتحليل اهتزازات دوامة الجسور بشكل كامل على الصعيدين المحلي والدولي.
في الممارسة العملية، يتم استخدام مزيج من الطرق شبه النظرية وشبه التجريبية لتقريب سعة الرنين الناتج عن الدوامة.
يشير مصطلح الرفرفة إلى ظاهرة اهتزاز ذاتية الاستثارة ناجمة عن التفاعل بين القوى الديناميكية الهوائية ومرونة الهيكل وقصوره الذاتي. وهي نتيجة للاقتران بين التدفق والهيكل.
من ناحية أخرى، يشير التخزين المؤقت إلى الاستجابة القسرية للهيكل للقوى الديناميكية الهوائية الدورية الناجمة عن ظروف التدفق غير المستقر، مثل فصل التدفق وتداخل الطبقة الحدودية الصدمية.
ولذلك، وفقًا للتعريف التقليدي، فإن الرفرفة الكلاسيكية هي نوع من الاهتزازات ذاتية الاستثارة، بينما يعد التخبط نوعًا من الاهتزاز القسري.
هناك أيضاً ظاهرة تُعرف باسم "رفرفة المماطلة"، والتي تحدث عند زوايا الهجوم العالية.
يعتقد بعض الخبراء أن هذا النوع من الاهتزازات الهيكلية، التي تتميز بظروف انفصال قوية، تتعايش مع الرفرفة والاهتزازات العائمة.
يشير مصطلح "التخزين المؤقت في الطائرات" إلى اهتزاز مكونات الطائرة بسبب استثارة تدفق الهواء المنفصل أو الاستيقاظ، مما يؤدي إلى اهتزازها عند التردد الطبيعي.
أحد الأمثلة الشائعة للاهتزازات هو اهتزاز جناح الذيل، والذي يحدث عندما يكون الذيل في أعقاب الجناح أو مفصل جسم الطائرة أو مكونات أخرى. يؤدي الاضطراب في أعقاب الطائرة إلى اهتزاز الذيل بقوة.
يمكن أن تجعل زوايا الهجوم العالية الطائرة عرضة لرفرفة الذيل بشكل خاص، والتي كانت سبباً في حوادث خطيرة في الماضي.
كما يمكن أن يتعرض الجناح أيضاً للاصطدام بسبب انفصال تدفق الهواء الخاص به. وفي النطاق العابر للموجات فوق الصوتية، يعد انفصال الطبقة الحدودية الناجم عن موجة الصدمة سبباً مهماً آخر للمصدات.
يفرض التخزين المؤقت حدوداً على معامل الرفع المتاح ورقم ماخ للطائرة. ولمنع التخبط، عادةً ما يتم تصحيح الشكل الديناميكي الهوائي وترتيب الوضع النسبي بين الذيل والجناح وجسم الطائرة بشكل صحيح.
يعد التخزين المؤقت اهتزازًا عشوائيًا، ولكنه منتظم في مجال التردد، وعادةً ما تتوافق القمة الرئيسية لطيف قدرته مع التردد الطبيعي الأول.
على الرغم من أن التصادم لا يلحق ضرراً فورياً بهيكل الطائرة، إلا أنه يزيد من الإجهاد الهيكلي، مما يقلل من عمر الطائرة التعب. كما أن له تأثيراً سلبياً على الأداء الديناميكي الهوائي، ونظام الأسلحة، والأجهزة والمعدات الميكانيكية والإلكترونية، فضلاً عن راحة الركاب.
في الحالات الشديدة، يمكن أن يتسبب الانحراف في فقدان الطيار السيطرة على الطائرة، مما يعرض سلامة الرحلة والطيار للخطر.
ولذلك، يعتبر التخبط عاملاً مهماً في تصميم الطائرات.
الارتفاع المفاجئ هو اهتزاز غير طبيعي يحدث في الضاغط التوربيني، المعروف أيضًا باسم الضاغط الريشي، عندما ينخفض التدفق إلى مستوى معين.
إن ضواغط الطرد المركزي، وهي نوع من الضواغط التوربينية، معرضة بشكل خاص للارتفاع المفاجئ.
يرتبط حدوث الطفرة بخصائص آلات السوائل وخطوط الأنابيب. فكلما زادت سعة نظام خطوط الأنابيب زادت قوة الاندفاع المفاجئ وانخفض تواتره.
يعطل الاندفاع المفاجئ التدفق المنتظم للوسط داخل الماكينة، ويحدث ضوضاء ميكانيكية، ويسبب اهتزازًا قويًا لمكوناتها، ويسرع من تآكل المحامل وموانع التسرب.
إذا تسبب الاندفاع المفاجئ في حدوث رنين في خط الأنابيب والآلات وأساساتها، فقد يؤدي ذلك إلى عواقب وخيمة.
الركض هو نوع من الاهتزازات التي تحدث في الهياكل ذات المقاطع المعقدة وغير المنتظمة غير الانسيابية، مثل المربع والمستطيل والأشكال الأخرى المشابهة.
سبب الركض هو أن منحنى الرفع له ميل سلبي، مما يخلق تأثير تخميد سلبي على رفع الهواء، مما يتسبب في امتصاص الهيكل للطاقة من الخارج باستمرار وتشكيل اهتزاز متباعد يشبه الرفرفة.
استنادًا إلى آلية التوليد، يمكن تقسيم الركض إلى نوعين: الركض في حالة الاستيقاظ، والركض عبر التدفق المتقاطع.
إن التذبذب الموجي هو اهتزاز غير مستقر ناتج عن اهتزاز الهيكل الأمامي الذي يثيره التدفق المار بتذبذب الهيكل الأمامي. الهياكل مثل كابلات الجسور المثبتة بالكابلات والحمالات في الجسور المعلقة هي الأكثر عرضة للارتدادات الموجية.
إن الركض عبر التدفق المتقاطع هو اهتزاز متباعد ذاتي الانحناء ناجم عن الميل السلبي لمنحنى الرفع. يتسبب هذا الميل السالب في محاذاة إزاحة الهيكل مع اتجاه قوة الهواء أثناء الاهتزاز، مما يتسبب في امتصاص الهيكل للطاقة من الخارج باستمرار وينتج عنه اهتزاز غير مستقر.
وعادةً ما يحدث الجريان العرضي في الهياكل المرنة خفيفة الوزن ذات المقاطع غير الانسيابية الزاوية، مثل الكابلات والحمالات في أنظمة الجسور المعلقة.
هناك أيضًا إمكانية حدوث انحراف راكض في الهياكل الأخرى، مثل الجسور الفولاذية ذات العوارض ذات نسبة العرض إلى الارتفاع الصغيرة، والجسور ذات الامتدادات الطويلة العالية والمرنة والمثبتة بالكابلات، وأبراج الجسور المعلقة والعوارض الرئيسية للجسور ذات الإطارات الفولاذية المستمرة خلال مرحلة البناء الكابولي الأقصى.
شارع الدوامة هو ظاهرة شائعة في ميكانيكا الموائع التي غالباً ما يتم ملاحظتها في الطبيعة.
عندما يمر التدفق الوارد الثابت حول الأجسام تحت ظروف معينة، فإن الدوامات ذات الاتجاهات الدورانية المتعاكسة والترتيبات المنتظمة تنفصل بشكل دوري من جانبي الجسم، مكونة شارع دوامة كارمن بعد حركة غير خطية.
على سبيل المثال، إذا تدفقت المياه بجوار رصيف أو هبت الرياح بجوار برج أو مدخنة أو سلك كهربائي، سيتشكل شارع كارمن الدوامة. سميت هذه الظاهرة باسم كارمن، التي كانت أول من اقترح وجودها.
وقد عمل كل من المهندسين الميكانيكيين الصينيين البارزين تشيان شويسن وقوه يونغهواي وتشيان ويتشانغ في مختبر كارمن.
إذا تزامن تردُّد الانسكاب المتناوب لشارع الدوامة مع تردُّد الموجة الصوتية الدائمة للجسم، فسيحدث الرنين.
تتكون العديد من المسخنات والغلايات الصناعية من أنابيب دائرية، ويمكن أن يتسبب تدفق السائل حول الأنبوب الدائري في حدوث ذرف متناوب لشارع كارمن الدوامة لاهتزاز عمود الغاز في صندوق التسخين المسبق.
إذا تزامن تردد الانسكاب المتناوب لشارع الدوامة مع تردد الموجة الصوتية الدائمة للجسم، فقد يتسبب ذلك في حدوث رنين صوتي ويتسبب في اهتزاز صندوق الأنبوب بعنف. في الحالات الشديدة، قد تصبح أسطوانة اهتزاز صندوق أنبوب التسخين المسبق غير مستقرة أو حتى تنكسر.
لمنع حدوث ضرر للمعدات، يمكن ضبط الترددات الطبيعية لصندوق الأنابيب والغاز لتباعدها عن تردد انسكاب شارع دوامة كارمن، وتجنب الرنين.
بصفتي مؤسس شركة MachineMFG، فقد كرّستُ أكثر من عقد من حياتي المهنية في مجال تصنيع المعادن. وقد أتاحت لي خبرتي الواسعة أن أصبح خبيرًا في مجالات تصنيع الصفائح المعدنية، والتصنيع الآلي، والهندسة الميكانيكية، وأدوات الماكينات للمعادن. أفكر وأقرأ وأكتب باستمرار في هذه المواضيع، وأسعى باستمرار للبقاء في طليعة مجال عملي. فلتكن معرفتي وخبرتي مصدر قوة لعملك.
AR 
EN 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO 
TR