viernes, 7 de noviembre de 2008

Resonancia, fenomenos de vibracion y el caso del puente colgante de Tacoma Narrows

Resonancia

El término puede referirse principalmente a fenómenos acústicos, mecánicos, magnéticos, astronómicos o eléctricos.

Utilizamos el término Resonancia para referirnos a los fenómenos relacionados con la frecuencia (Movimientos periódicos o casi periódicos) y su forma de interactuar reforzando o provocando una frecuencia de oscilación.

Cuando una cantante lírica emite notas con la vibración de su voz, el aire que la rodea transmite este movimiento en forma de ondas de sonido. Dependiendo de la frecuencia en que emita el sonido y las condiciones del medio donde nos encontramos. Si estas ondas se topan con un objeto esta energía puede interactuar con su frecuencia natural de oscilación. El ejemplo mas claro seria una copa de vidrio, el movimiento de la resonancia, si supera su resistencia, la romperá.


El antiguo truco de Soprano que rompe una fina copa de vidrio, es totalmente cierto. Con un golpecito o frotando el borde de la copa alguien experimentado sabe en que nota debe de cantar para romperla. Es cuestión de ciencia y cualidades de voz.

Otro ejemplo de resonancia la podemos encontrar al usar dos diapasones. Si golpeamos uno de ellos vibrara, emitiendo una onda sonora a una determinada frecuencia (una nota). Cuando su onda llegue al otro diapasón, transmitida por el aire, si el segundo diapasón emite en la misma frecuencia, comenzara a oscilar produciendo la misma nota.


La resonancia puede afectar y ser usada de diferentes formas. En el caso de un horno microondas, el magnetrón de su interior emite ondas electromagnéticas (microondas), en una frecuencia que asegura el funcionamiento del horno.

La frecuencia de oscilación del agua varía según sus condiciones y estados, en los hornos microondas se decidió utilizar una frecuencia de 2,45 GHz, que esta bien para calentar sólidos y líquidos de forma equilibrada, además no estaba ocupada por otros aparatos y no crearía interferencias (aunque en una jaula de Faraday siempre es mas difícil).

Esta oscilación de moléculas produce calor. No tengáis miedo por vuestras moléculas de agua los hornos microondas son pequeñas jaulas de Faraday, diseñados para no dejar escapar la frecuencia en la que trabajan, unos 2.4Ghz.


Con un equipo apropiado y complejo, la resonancia magnética nuclear es utilizada por la medicina. El núcleo del átomo es perturbado por la resonancia lo que provoca gracias a sus propiedades magnéticas la emisión de energía. La diferencia magnética y la distancia entre la emisión de energía, es detectada por la maquina e interpretada por el ordenador en forma de imágenes.


Como se puede ver la resonancia en sus diferentes referencias ayuda y preocupa por igual. En la llamada resonancia mecánica el quebradero de cabeza de los ingenieros es el cálculo y la prevención en estructuras y objetos. Todas las construcciones tienen un movimiento natural que puede ser muy peligroso si es ampliado por otro movimiento en la misma frecuencia. Esto reforzaría su oscilación pudiendo provocar en estructuras o materiales un colapso (como en el caso de la copa de vidrio).

Por suerte las estructuras no se suelen construir de cristal, aun así las grandes construcciones de acero también pueden sufrir la acción de la resonancia.
El movimiento sistemático, unas determinas revoluciones en un motor o el paso de tropas marchando por un puente, pueden producir una resonancia con fatales consecuencias.

Videolink Resonancia en un Chinook

Durante muchos años se puso como ejemplo de resonancia (Resonancia en puentes colgantes) mecánica la caída del puente colgante de Tacoma Narrows, en el estado de Washington.


El primer puente de Tacoma Narrows, era una estructura moderna e imponente con una longitud total de 1600 metros, dos torres soporte de 129 metros de altura sostenían su sección central separadas por una distancia de 853 metros. La construcción era uno de los 3 puentes colgantes de su categoría, más largos del mundo.

Antes de Su desplome el 7 de noviembre de 1940 (apenas 4 meses después de su inauguración), el puente se hizo famoso al sufrir un fenómeno de resonancia y pronto fue rebautizado de forma coloquial a “Galloping Gertie” (Quizas Leonard Coatsworth, un editor de Tacoma lo llamo Gertie como el dinosaurio). El fenómeno de resonancia longitudinal, hacia que el puente se deformara en esa dirección. Literalmente los coches galopaban sobre el asfalto como barquitos sobre las olas del mar, se movían de arriba abajo.


Inmediatamente los ingenieros intentaron solventar el problema de oscilación del Puente de Tacoma Narrows. Se fabrico una maqueta a escala tanto del puente como de una seccion para su estudio en el túnel de viento. Después del análisis en la universidad de Washington se llego a dos conclusiones para solventar la oscilación.

-Perforar algunos agujeros en el lateral del puente sobre las vigas para que el flujo de aire pudiera circular a través de ellos y reducir la fuerza de ascenso que ejercía sobre el puente.

-Darle una mejor aerodinámica a la sección transversal del puente por medio de deflectores instalados en las vigas, a lo largo de la cubierta.

Esta solución aerodinámica llego solo dos días antes de su desplome, por lo que nunca se puso en práctica.


Realmente el puente no se desplomo por el efecto de una resonancia la cual se pensaba no afectaría a la integridad estructural. El desplome de la estructura de Tacoma fue por causas aeronáuticas no vistas en un puente hasta la fecha. Sometido a una torsión lateral de izquierda a derecha por una acción llamada flameo. El puente no pudo aguantar la torsión y se colapso.


El Flutter (flameo o aleteo) es una vibración que surge sola, cuando las fuerzas aerodinámicas ejercidas sobre un objeto provocan un movimiento periódico natural. Este movimiento se retroalimenta en condiciones positivas. Mas vibración mas movimiento y carga aerodinámica, cuanto mas carga aerodinámica mas movimiento y vibración. Es un fenómeno que ocurre dentro de cualquier fluido. Aunque Afecta a muchas estructuras (como los puentes), normalmente aparece en las alas de avión.


Videolink B747 flutter
Videolink V tail flutter (cam: Flycamone2)
Videolink How to break a glider´s wing

El desplome del puente de Tacoma Narrows hizo que cambiara la forma en la que se construyen las estructuras. Desde entonces la concepción de proyectos tiene mucho mas en cuenta la forma en la que interactúan con la aerodinámica y la resonancia las estructuras y la carga que soportan.

El hombre tropieza varias veces con la misma piedra y fenómenos parecidos al que sufrió el puente de Tacoma siguen produciéndose de diferentes formas. Decisiones para ahorrar dinero y aligerar la estructura o un cálculo aerodinámico erróneo o escaso, siguen provocando sustos.

Ahora hay dos puentes sobre el Tacoma Narrrows y ninguno de los dos usa el tipo de vigas que uso el primer puente. Las vigas en forma de I por laminas de acero (plate girders), utilizadas en el primer puente de Tacoma Narrows y por primera vez en este tipo de puentes. Fueron incluidas en el proyecto inicial del Tacoma Narrows a última hora, para aligerar la estructura y dar esbeltez al puente. Principalmente por ahorrarse dinero en los costes de construcción.

El desconocimiento de como se comportarian aerodinamicamente las vigas en la estructura y su interacción con el medio, propiciaron el efecto de flameo o aleteo en el puente.

Vigas en I

Hay formas de interactuar con la resonancia de puentes o pasarelas, pero como es anormal y peligroso ir meneando puentes, lo mejor es disfrutar de la resonancia de una forma fácil, entretenida y nada peligrosa, en Youtube por ejemplo.