Wat is aeroelasticiteit?
Aeroelasticiteit is de studie van de interactie van aerodynamische spanningen, traagheid en elastische reacties in fysieke structuren. Dergelijke interacties kunnen zowel statische als dynamische reacties produceren. Onstabiele dynamische reacties in componenten kunnen onder bepaalde omstandigheden leiden tot structureel falen. Aeroelasticiteit houdt zich typisch bezig met het ontwerpen van structuren die stabiel zijn wanneer ze worden onderworpen aan een dynamische luchtstroom. Deze structuren zijn vaak vliegtuigen, maar ze kunnen ook bruggen, windturbines en andere terrestrische elementen bevatten.
De meeste materialen, waaronder metalen, vertonen elastisch gedrag bij het reageren op externe spanningen. Elastische materialen keren terug naar hun oorspronkelijke grootte en vorm als ze niet verder worden vervormd dan een kritische hoeveelheid. Terwijl ze worden vervormd, zullen ze uitrekken of krimpen afhankelijk van de toegepaste spanning. Een metalen veer strekt zich uit wanneer deze aan de randen wordt getrokken, maar blijft niet permanent vervormd nadat deze is losgelaten. Zelfs massieve stukken metaal gedragen zich zelfs op deze manier.
In een vliegtuig oefenen externe aerodynamische krachten mechanische spanning uit op de vleugels en het hoofdlichaam. In termen van aeroelasticiteit is deze spanning vergelijkbaar met een spanning die rechtstreeks op het materiaal wordt uitgeoefend, bijvoorbeeld door het plaatsen van gewichten op het vliegtuig. Als reactie hierop zal de structuur van het vliegtuig enigszins vervormen. Dit zal de vorm van het vlak enigszins veranderen, wat op zijn beurt de exacte aerodynamische stress zal beïnvloeden. In een statisch scenario zal de structurele respons van het vliegtuig evenwicht bereiken met de nieuwe aerodynamische spanningen.
Wanneer een structuur begint te vervormen vanwege aerodynamische spanningen, zal deze traagheid of momentum krijgen, terwijl deze beweegt om van vorm te veranderen. Zodra het zijn nieuwe "evenwichtspositie" bereikt, stopt het niet onmiddellijk; het schiet eerder deze positie voorbij omdat het traagheid heeft verkregen. Aerodynamische spanningen hebben de neiging om de structuur in een evenwichtsvorm te herstellen, maar soms kan een oscillatie optreden. Het vereist wrijving of een soort dempende kracht om deze oscillatie te vertragen. Met andere woorden, de structuur kan een evenwichtsvorm hebben, maar als het elke keer dat het naar die vorm beweegt te veel traagheid opneemt, zal het in een onstabiel evenwicht zijn.
Veel mensen waren getuige van dit belangrijke aspect van aeroelasticiteit op 7 november 1940, toen de Tacoma Narrows Bridge in de Amerikaanse staat Washington begon te trillen vanwege de harde wind. De natuurlijke frequentie van de brug, die gerelateerd is aan hoe snel de brug zal trillen, was toevallig vergelijkbaar met de snelheid waarmee de wind van richting veranderde. Wanneer dit gebeurt, kan de wind ervoor zorgen dat de brug steeds meer trilt. In het geval van Tacoma Narrows Bridge leidde de weggelopen structurele trillingen tot de vernietiging van de brug. Dit evenement leidde tot een toename van de belangstelling voor aeroelasticiteit en onderzoek.