Vi siete mai chiesti perché ponti e aerei vibrano in determinate condizioni? La comprensione dei diversi tipi di vibrazioni, come la risonanza, il flutter e il galoppo, può spiegare questi fenomeni. Questo articolo approfondisce sette tipi specifici, ciascuno con cause ed effetti unici sulle strutture. Imparerete come queste vibrazioni influenzano i progetti ingegneristici e le misure di sicurezza.
Quando un sistema è sottoposto a un'eccitazione esterna, la sua ampiezza di vibrazione forzata può diventare molto grande se la frequenza dell'eccitazione è vicina a una delle frequenze naturali del sistema. Questo fenomeno viene definito risonanza.
I sistemi hanno molte frequenze naturali, ma di solito ci concentriamo sulle frequenze più basse.
In fisica, la risonanza si riferisce al fenomeno per cui due oggetti con la stessa frequenza di vibrazione provocano la vibrazione di un terzo oggetto quando uno di essi vibra.
Il termine "risonanza" è usato anche in meccanica per descrivere il fenomeno per cui un oggetto produce un suono a causa della vibrazione alla sua frequenza di risonanza.
Ad esempio, quando due diapason con la stessa frequenza vengono posti vicini, uno produce un suono quando vibra e anche l'altro inizia a vibrare e a produrre un suono.
La vibrazione vorticosa si riferisce alla vibrazione causata dall'alternanza di vortici che si formano dopo il flusso intorno a un corpo solido sotto l'influenza del vento medio.
Lo studio delle vibrazioni da vortice nei ponti è un settore dell'aerodinamica.
La vibrazione vorticosa dei ponti è un tipo di vibrazione che presenta caratteristiche di vibrazione autoeccitata e forzata, con ampiezza finita.
Può mantenere costante la frequenza indotta dal vortice in un'ampia gamma di velocità del vento, con il risultato di un fenomeno di "lock-on".
Il calcolo dell'ampiezza finita della risonanza indotta dal vortice di un ponte è un problema cruciale ma impegnativo.
Attualmente, una teoria completa per l'analisi delle vibrazioni vorticose dei ponti non è stata completamente sviluppata sia a livello nazionale che internazionale.
In pratica, per approssimare l'ampiezza della risonanza indotta dai vortici si utilizza una combinazione di metodi semi-teorici e semi-sperimentali.
Il flutter è un fenomeno di vibrazione autoeccitata causato dall'interazione tra le forze aerodinamiche e l'elasticità e l'inerzia della struttura. È il risultato dell'accoppiamento tra il flusso e la struttura.
Il buffeting, invece, si riferisce alla risposta forzata di una struttura alle forze aerodinamiche periodiche causate da condizioni di flusso instabile, come la separazione del flusso e l'interferenza dello strato limite d'urto.
Pertanto, secondo la definizione tradizionale, il flutter classico è un tipo di vibrazione autoeccitata, mentre il buffeting è un tipo di vibrazione forzata.
Esiste anche un fenomeno noto come stall flutter, che si verifica ad alti angoli di attacco.
Alcuni esperti ritengono che questo tipo di vibrazione strutturale, caratterizzata da forti condizioni di separazione, coesista con il flutter e il buffeting.
Il buffeting negli aeromobili si riferisce alla vibrazione dei componenti dell'aeromobile dovuta all'eccitazione del flusso d'aria separato o della scia, che provoca l'oscillazione dei componenti stessi. frequenza naturale.
Un esempio comune di buffeting è il buffeting dell'ala di coda, che si verifica quando la coda si trova nella scia dell'ala, del giunto della fusoliera o di altri componenti. Il disturbo nella scia provoca una forte vibrazione della coda.
Angoli di attacco elevati possono rendere un velivolo particolarmente incline al tail flutter, che in passato è stato causa di gravi incidenti.
L'ala può anche subire un buffeting dovuto alla separazione del proprio flusso d'aria. Nella fascia transonica, la separazione dello strato limite indotta dalle onde d'urto è un'altra importante causa di buffeting.
Il buffeting impone limiti al coefficiente di portanza disponibile e al numero di Mach del velivolo. Per evitare il buffeting, la forma aerodinamica viene tipicamente corretta e la posizione relativa tra coda, ala e fusoliera viene sistemata correttamente.
Il buffeting è una vibrazione casuale, ma regolare nel dominio delle frequenze e il picco principale del suo spettro di potenza corrisponde solitamente alla prima frequenza naturale.
Sebbene il buffeting non danneggi immediatamente la struttura dell'aereo, aumenta le sollecitazioni strutturali, riducendo la vita a fatica dell'aereo. Inoltre, ha un impatto negativo sulle prestazioni aerodinamiche, sul sistema d'arma, sugli strumenti e sulle apparecchiature meccaniche ed elettroniche e sul comfort dei passeggeri.
Nei casi più gravi, il buffeting può far perdere il controllo al pilota, mettendo in pericolo la sicurezza del volo e del pilota stesso.
Pertanto, il buffeting è considerato un fattore importante nella progettazione degli aeromobili.
La sovracorrente è una vibrazione anomala che si verifica in un compressore a turbina, noto anche come compressore a palette, quando il flusso diminuisce a un certo livello.
I compressori centrifughi, che sono un tipo di compressore a turbina, sono particolarmente vulnerabili alle sovratensioni.
Il verificarsi di una sovratensione è legato alle caratteristiche dei macchinari e delle condutture fluide. Maggiore è la capacità del sistema di tubazioni, più forte è la sovratensione e minore la sua frequenza.
Le sovratensioni interrompono il flusso regolare del fluido all'interno della macchina, creano rumore meccanico, provocano forti vibrazioni dei componenti e accelerano l'usura di cuscinetti e guarnizioni.
Se le sovratensioni causano risonanze nella condotta, nei macchinari e nelle fondamenta, possono avere gravi conseguenze.
Il galoppo è un tipo di vibrazione che si verifica nelle strutture con sezioni complesse e irregolari non in linea, come quelle quadrate, rettangolari e altre forme simili.
La causa del galoppo è che la curva di portanza ha una pendenza negativa, che crea un effetto di smorzamento negativo sulla portanza dell'aria, inducendo la struttura ad assorbire continuamente energia dall'esterno e a formare una vibrazione divergente simile al flutter.
In base al meccanismo di generazione, il galoppo può essere suddiviso in due tipi: galoppo di scia e galoppo di flusso trasversale.
Il galoppo di scia è una vibrazione instabile causata dalla struttura a valle che viene eccitata dal flusso che passa attraverso la fluttuazione della struttura anteriore. Strutture come i cavi dei ponti strallati e le bretelle dei ponti sospesi sono le più soggette al galoppo di scia.
Il galoppo a flusso incrociato è una vibrazione autoeccitata a flessione divergente causata dalla pendenza negativa della curva di portanza. Questa pendenza negativa fa sì che lo spostamento della struttura si allinei con la direzione della forza d'aria durante la vibrazione, facendo sì che la struttura assorba continuamente energia dall'esterno e provochi una vibrazione instabile.
Il galoppo del flusso trasversale si verifica tipicamente nelle strutture leggere flessibili con sezioni angolari non in linea con la corrente, come i cavi e le bretelle nei sistemi di ponti sospesi.
Esiste anche la possibilità di divergenza galoppante in altre strutture, come i ponti a trave in acciaio con un piccolo rapporto larghezza/altezza, i ponti strallati a lunga luce alti e flessibili, le torri dei ponti sospesi e le travi principali dei ponti continui a telaio in acciaio durante la fase di costruzione a sbalzo massimo.
La via dei vortici è un fenomeno comune della meccanica dei fluidi che si osserva spesso in natura.
Quando un flusso costante in entrata passa intorno agli oggetti in determinate condizioni, vortici con direzioni di rotazione opposte e disposizioni regolari si liberano periodicamente da entrambi i lati dell'oggetto, formando una strada di vortici Carmen dopo un'azione non lineare.
Ad esempio, se l'acqua passa davanti a un molo o il vento passa davanti a una torre, a un camino o a un cavo elettrico, si forma un vortice di Carmen. Il fenomeno prende il nome da Carmen, che per primo ne propose l'esistenza.
I più importanti ingegneri meccanici cinesi Qian Xuesen, Guo Yonghuai e Qian Weichang hanno tutti lavorato nel laboratorio Carmen.
Se la frequenza di diffusione alternata della via del vortice coincide con la frequenza dell'onda stazionaria acustica dell'oggetto, si verifica una risonanza.
Molti preriscaldatori e caldaie industriali sono costituiti da tubi circolari, e il fluido che scorre intorno al tubo circolare può provocare lo spargimento alternato della via del vortice Carmen per far vibrare la colonna di gas nella scatola del preriscaldatore.
Se la frequenza di diffusione alternata della via del vortice coincide con la frequenza dell'onda stazionaria acustica dell'oggetto, può provocare una risonanza acustica e far vibrare violentemente la scatola del tubo. Nei casi più gravi, il tamburo di vibrazione della scatola del preriscaldatore può diventare instabile o addirittura rompersi.
Per evitare danni all'apparecchiatura, le frequenze naturali della scatola dei tubi e del gas possono essere regolate in modo da sfalsarle rispetto alla frequenza di rilascio della strada del vortice Carmen, evitando la risonanza.
In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.
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