空力弾性とは

空力弾性は、物理的構造における空力的応力、慣性、および弾性応答の相互作用の研究です。 このような相互作用により、静的応答と動的応答の両方が生成されます。 コンポーネントの不安定な動的応答は、特定の条件下で構造的な破損を引き起こす可能性があります。 通常、空力弾性は、動的な空気流にさらされたときに安定するように構造を設計することに関係しています。 これらの構造は多くの場合航空機ですが、橋、風力タービン、その他の地上ベースの要素を含めることもできます。

金属を含むほとんどの材料は、外部応力に応答すると弾性的な挙動を示します。 弾性材料は、臨界量を超えて変形しない場合、元のサイズと形状に戻ります。 変形している間、適用される応力のレベルに応じて伸縮します。 金属製のバネは、端を引っ張ると伸びますが、解放されても永久に変形したままではありません。 実際、金属の固体部分でもこのように動作します。

飛行機では、外部の空力が翼と本体に機械的応力を加えます。 空力弾性の観点では、この応力は、たとえば飛行機に重りを置くことによって材料に直接加えられる応力に似ています。 それに応じて、飛行機の構造はわずかに変形します。 これにより平面の形状がわずかに変化し、正確な空力応力に影響します。 静的なシナリオでは、飛行機の構造的応答は、新しい空力的ストレスで平衡に達します。

空力的ストレスのために構造が変形し始めると、形状を変えるために移動するため、慣性または運動量が増加します。 新しい「平衡」位置に達すると、すぐには停止しません。 むしろ、慣性を獲得したため、この位置をオーバーシュートします。 空力応力は、構造を平衡形状に復元する傾向がありますが、振動が発生する場合があります。 この振動を遅くするには、摩擦または何らかの減衰力が必要です。 言い換えれば、構造は平衡形状をとることがありますが、その形状に向かって移動するたびに過度の慣性を拾うと、不安定な平衡状態になります。

1940年11月7日、米国ワシントン州のタコマナローズ橋が強風のために振動し始めたときに、多くの人々が空力弾性のこの重要な側面を目撃しました。 橋が振動する速度に関連する橋の固有振動数は、たまたま風が方向を変えた速度に似ていました。 これが起こると、風が橋をますます振動させる可能性があります。 タコマナロウズ橋の場合、暴走した構造振動が橋の破壊につながった。 このイベントにより、空力弾性への関心と研究が増加しました。