Co to jest aeroelastyczność?
Aeroelastyczność to badanie interakcji naprężeń aerodynamicznych, bezwładności i reakcji sprężystych w strukturach fizycznych. Takie interakcje mogą powodować reakcje zarówno statyczne, jak i dynamiczne. Niestabilne reakcje dynamiczne w komponentach mogą prowadzić do uszkodzenia konstrukcji w określonych warunkach. Aeroelastyczność zwykle dotyczy projektowania konstrukcji, które będą stabilne, gdy zostaną poddane dynamicznemu przepływowi powietrza. Konstrukcje te są często samolotami, ale mogą również obejmować mosty, turbiny wiatrowe i inne elementy naziemne.
Większość materiałów, w tym metale, wykazuje elastyczność podczas reagowania na naprężenia zewnętrzne. Materiały elastyczne powrócą do swojego pierwotnego rozmiaru i kształtu, jeśli nie zostaną zdeformowane powyżej krytycznej ilości. Podczas deformacji będą się rozciągać lub kurczyć zgodnie z poziomem przyłożonego naprężenia. Metalowa sprężyna rozciąga się po pociągnięciu za krawędzie, ale nie pozostaje trwale odkształcona po zwolnieniu. W rzeczywistości nawet stałe kawałki metalu zachowują się w ten sposób.
W samolocie zewnętrzne siły aerodynamiczne przykładają naprężenia mechaniczne do skrzydeł i głównego korpusu. Pod względem aeroelastyczności naprężenie to jest podobne do naprężenia przykładanego bezpośrednio do materiału - na przykład w wyniku umieszczenia obciążników na samolocie. W odpowiedzi struktura samolotu nieznacznie się deformuje. To nieznacznie zmieni kształt samolotu, co z kolei wpłynie na dokładne naprężenie aerodynamiczne. W scenariuszu statycznym reakcja strukturalna samolotu osiągnie równowagę z nowymi naprężeniami aerodynamicznymi.
Kiedy struktura zaczyna się deformować z powodu naprężeń aerodynamicznych, nabierze bezwładności lub pędu, gdy będzie się zmieniać, aby zmienić kształt. Kiedy osiągnie nową pozycję „równowagi”, nie zatrzymuje się natychmiast; raczej wykracza poza tę pozycję, ponieważ zyskał bezwładność. Naprężenia aerodynamiczne mogą dążyć do przywrócenia struktury do kształtu równowagi, ale czasami może wystąpić oscylacja. Wymaga tarcia lub siły tłumiącej, aby spowolnić tę oscylację. Innymi słowy, struktura może mieć kształt równowagi, ale jeśli odbierze zbyt dużą bezwładność za każdym razem, gdy zbliża się do tego kształtu, będzie w niestabilnej równowadze.
Wiele osób było świadkami tego ważnego aspektu aeroelastyczności w dniu 7 listopada 1940 r., Kiedy most Tacoma Narrows w stanie Waszyngton w USA zaczął wibrować z powodu silnych wiatrów. Naturalna częstotliwość mostu, związana z szybkością drgania mostu, okazała się podobna do prędkości zmiany kierunku wiatru. Kiedy tak się dzieje, wiatr może powodować, że most wibruje coraz bardziej. W przypadku mostu Tacoma Narrows niekontrolowane wibracje strukturalne doprowadziły do zniszczenia mostu. To wydarzenie spowodowało wzrost zainteresowania i badań nad aeroelastycznością.