Vad är aeroelasticitet?

Aeroelasticitet är studien av interaktionen mellan aerodynamiska spänningar, tröghet och elastiska svar i fysiska strukturer. Sådana interaktioner kan ge både statiska och dynamiska svar. Instabila dynamiska svar i komponenter kan leda till strukturellt fel under vissa förhållanden. Aeroelasticitet handlar vanligtvis om att konstruera strukturer för att vara stabila när de utsätts för ett dynamiskt luftflöde. Dessa strukturer är ofta flygplan, men de kan också inkludera broar, vindkraftverk och andra markbaserade element.

De flesta material, inklusive metaller, uppvisar elastiskt beteende vid reaktion på yttre påfrestningar. Elastiska material kommer att återgå till sin ursprungliga storlek och form om de inte deformeras utöver en kritisk mängd. Samtidigt som deformeras kommer de att sträckas eller krympa beroende på nivån på stress som appliceras. En metallfjäder sträcker sig ut när den dras i kanterna, men förblir inte permanent deformerad efter att den lossats. Faktum är att även solida metallstycken uppför sig på detta sätt.

I ett flygplan tillämpar yttre aerodynamiska krafter mekanisk påkänning på vingarna och huvudkroppen. När det gäller aeroelasticitet liknar denna spänning en spänning som appliceras direkt på materialet - till exempel från att placera vikter på flygplanet. Som svar deformeras flygplanets struktur något. Detta kommer att förändra planets form något, vilket i sin tur kommer att påverka den exakta aerodynamiska spänningen. I ett statiskt scenario kommer flygplanets strukturella svar att nå jämvikt med de nya aerodynamiska spänningarna.

När en struktur börjar deformeras på grund av aerodynamiska spänningar, kommer den att få tröghet, eller fart, när det rör sig om att ändra form. När den väl når sin nya "jämviktsläge" stannar den inte omedelbart; snarare överskrider den denna position eftersom den har fått tröghet. Aerodynamiska spänningar kan ha en tendens att återställa strukturen till en jämviktsform, men ibland kan en svängning uppstå. Det kräver friktion eller någon form av dämpningskraft för att bromsa denna svängning. Med andra ord kan strukturen ha en jämviktsform, men om den tar upp för mycket tröghet varje gång den rör sig mot den formen kommer den att vara i en instabil jämvikt.

Många bevittnade denna viktiga aspekt av aeroelasticitet den 7 november 1940, när Tacoma Narrows Bridge i den amerikanska delstaten Washington började vibrera på grund av hög vind. Den naturliga frekvensen för bron, som är relaterad till hur snabbt bron kommer att vibrera, råkade likna den hastighet som vinden ändrade riktningar. När detta händer kan vinden få bron att vibrera mer och mer. När det gäller Tacoma Narrows Bridge ledde den borttagna strukturella vibrationen till broens förstörelse. Denna händelse ledde till en ökning av aeroelasticitetsintresse och forskning.