Was ist Aeroelastizität?
Aeroelastizität ist die Untersuchung der Wechselwirkung von aerodynamischen Spannungen, Trägheit und elastischen Reaktionen in physikalischen Strukturen. Solche Wechselwirkungen können sowohl statische als auch dynamische Reaktionen hervorrufen. Instabile dynamische Reaktionen in Bauteilen können unter bestimmten Bedingungen zu einem strukturellen Versagen führen. Bei der Aeroelastizität geht es in der Regel darum, Strukturen so zu gestalten, dass sie stabil sind, wenn sie einem dynamischen Luftstrom ausgesetzt werden. Diese Strukturen sind häufig Flugzeuge, können aber auch Brücken, Windturbinen und andere terrestrische Elemente umfassen.
Die meisten Materialien, einschließlich Metalle, zeigen ein elastisches Verhalten, wenn sie auf äußere Beanspruchungen reagieren. Elastische Materialien nehmen wieder ihre ursprüngliche Größe und Form an, wenn sie nicht über einen kritischen Wert hinaus deformiert werden. Während der Verformung dehnen oder schrumpfen sie je nach Belastung. Eine Metallfeder dehnt sich beim Ziehen an den Rändern aus, bleibt aber nach dem Lösen nicht dauerhaft verformt. Tatsächlich verhalten sich auch feste Metallteile so.
In einem Flugzeug üben äußere aerodynamische Kräfte eine mechanische Beanspruchung auf die Flügel und den Hauptkörper aus. In Bezug auf die Aeroelastizität ähnelt diese Beanspruchung einer Beanspruchung, die direkt auf das Material ausgeübt wird, beispielsweise durch das Auflegen von Gewichten auf das Flugzeug. Als Reaktion verformt sich die Struktur des Flugzeugs leicht. Dadurch wird die Form des Flugzeugs geringfügig geändert, was sich wiederum auf die genaue aerodynamische Beanspruchung auswirkt. In einem statischen Szenario wird das strukturelle Verhalten des Flugzeugs mit den neuen aerodynamischen Beanspruchungen im Gleichgewicht sein.
Wenn sich eine Struktur aufgrund aerodynamischer Beanspruchungen zu verformen beginnt, gewinnt sie Trägheit oder Impuls, wenn sie sich bewegt, um ihre Form zu ändern. Sobald es seine neue „Gleichgewichtsposition“ erreicht hat, hört es nicht sofort auf; Vielmehr überschreitet es diese Position, weil es Trägheit gewonnen hat. Aerodynamische Spannungen können dazu neigen, die Struktur in eine Gleichgewichtsform zurückzubringen, aber manchmal kann eine Oszillation auftreten. Es erfordert Reibung oder eine Art Dämpfungskraft, um diese Schwingung zu verlangsamen. Mit anderen Worten, die Struktur kann eine Gleichgewichtsform haben, aber wenn sie jedes Mal, wenn sie sich dieser Form nähert, zu viel Trägheit aufnimmt, befindet sie sich in einem instabilen Gleichgewicht.
Viele Menschen erlebten diesen wichtigen Aspekt der Aeroelastizität am 7. November 1940, als die Tacoma Narrows Bridge im US-Bundesstaat Washington wegen starker Winde zu vibrieren begann. Die Eigenfrequenz der Brücke, die sich darauf bezieht, wie schnell die Brücke vibriert, ist zufällig der Geschwindigkeit ähnlich, mit der der Wind die Richtung ändert. In diesem Fall kann der Wind dazu führen, dass die Brücke immer mehr vibriert. Im Fall der Tacoma Narrows Bridge führten die außer Kontrolle geratenen Strukturschwingungen zur Zerstörung der Brücke. Diese Veranstaltung führte zu einer Zunahme des Interesses und der Forschung an Aeroelastizität.