Co je aeroelasticita?

Aeroelasticita je studium interakce aerodynamických napětí, setrvačnosti a elastických reakcí ve fyzických strukturách. Takové interakce mohou vyvolat statické i dynamické odezvy. Nestabilní dynamické reakce v součástech mohou za určitých podmínek vést ke strukturální poruše. Aeroelasticita se obvykle týká navrhování struktur, které jsou stabilní, když jsou vystaveny dynamickému proudění vzduchu. Tyto struktury jsou často letadla, ale mohou zahrnovat i mosty, větrné turbíny a další pozemské prvky.

Většina materiálů, včetně kovů, vykazuje elastické chování při reakci na vnější napětí. Pružné materiály se vrátí do své původní velikosti a tvaru, pokud nejsou deformovány nad kritické množství. Při deformaci se budou protahovat nebo zmenšovat podle úrovně aplikovaného napětí. Kovová pružina se při tažení za okraje natahuje, ale po uvolnění nezůstává trvale deformovaná. Ve skutečnosti se dokonce i tuhé kusy kovu chovají tímto způsobem.

V letadle působí vnější aerodynamické síly na křídla a hlavní tělo mechanickým tlakem. Pokud jde o aeroelasticitu, je toto napětí podobné stresu aplikovanému přímo na materiál - například z umístění závaží na letadlo. V reakci na to se struktura letounu v důsledku mírně deformuje. To mírně změní tvar roviny, což zase ovlivní přesné aerodynamické napětí. Ve statickém scénáři strukturální odezva letadla dosáhne rovnováhy s novými aerodynamickými namáháními.

Když se struktura začne deformovat kvůli aerodynamickým napětím, získává setrvačnost nebo hybnost, když se pohybuje ke změně tvaru. Jakmile dosáhne své nové „rovnovážné“ polohy, nezastaví se okamžitě; spíše překonává tuto pozici, protože získala setrvačnost. Aerodynamická napětí mohou mít tendenci obnovit strukturu do rovnovážného tvaru, ale někdy se může objevit oscilace. To vyžaduje tření nebo nějaký druh tlumící síly, aby se tato oscilace zpomalila. Jinými slovy, struktura může mít rovnovážný tvar, ale pokud zachytí příliš mnoho setrvačnosti při každém pohybu směrem k tomuto tvaru, bude v nestabilní rovnováze.

Mnoho lidí bylo svědkem tohoto důležitého aspektu aeroelasticity 7. listopadu 1940, kdy se Tacoma Narrows Bridge ve státě Washington začal vibrovat kvůli silným větrům. Přirozená frekvence mostu, která souvisí s rychlostí kmitání mostu, byla podobná rychlosti změny směru větru. Když k tomu dojde, vítr může způsobit, že most bude vibrovat stále více. V případě zužujícího se mostu Tacoma vedly strukturální vibrace k zničení mostu. Tato událost vedla ke zvýšení zájmu o aeroelasticitu a výzkumu.