Video dimostrativo del problema dell'instabilita' dovuta al fenomeno del "flutter"

A distruggere il ponte furono le oscillazioni torsionali amplificate ma non dalla risonanza come erroneamente riportato su diversi testi e universalmente accettato, nella realta' si instauro' una oscillazione aeroelastica autoeccitata ovvero si verifico' una instabilita' aeroelastica. Infatti la risonanza e' un fenomeno fisico che si manifesta quando la frequenza della forza eccitante e' uguale alla frequenza naturale del sistema meccanico oscillante, in altri termini il fenomeno della risonanza e' tale per cui una forza periodica anche debole (detta forzante) puo' produrre sollecitazioni e vibrazioni notevolissime su un corpo che oscilli con la medesima frequenza della forzante, allo stesso modo in cui imprimendo al momento opportuno una piccola spinta ad un'altalena riusciamo ad aumentarne di molto l'ampiezza delle oscillazioni, tuttavia il crollo del ponte avvenne alcune ore dopo che il processo vibrazionale si era instaurato indotto da un vento praticamente costante dell'ordine di 50 - 60 Km/h e in assenza di raffiche forti ed improvvise, dunque viene a mancare la periodicita' della forza eccitante ovvero viene meno una condizione necessaria per l'instaurarsi della risonanza, daltronte e' ivverosimile immaginare le raffiche di vento come una forza perfettamente periodica nel tempo e per lo piu' con una frequenza esattamente uguale alla frequenza propria del ponte! Nel caso in oggetto il vento puo' essere modellato matematicamente come un fluido avente velocita' media costante e con piccole fluttuazioni nel tempo. A causare il crollo del ponte come dimostrano studi recenti fu l'instabilita' aeroelastica dovuta al fenomeno del "flutter" o alternativamente il crollo puo' essere interpretato anche con la teoria di Theodore Von Karman ovvero mediante il distacco dei vortici detti appunto di Von Karman "vortex shedding", fenomenologie note nell'ingegneria aerospaziale e aeronautica.


Il fenomeno del flutter e' una vibrazione aeroelastica autoeccitata che si instaura in una struttura in moto relativo rispetto a un fluido o viceversa, quando si verificano particolari condizioni. Il flutter puo' sempre verificarsi negli aeroplani come nei ponti sospesi, e' legato alle variazioni delle forze aerodinamiche conseguenti al diverso orientamento che le parti della struttura, a causa delle loro stesse oscillazioni, assumono rispetto alla direzione del vento relativo. Il flutter configura una risposta oscillatoria, che presenta ampiezza, velocita' e accelerazione crescenti nel tempo, con un conseguente aumento dell'energia cinetica, tale energia e' fornita dalle forze esterne, se queste sono conservative il loro lavoro viene tuttavia compiuto a spese di un potenziale ed e' limitato e pertanto l'instabilita' non si verifica. Il flutter puo' quindi essere indotto solo da forze non conservative (vento, fluido). In altri termini una volta innescatasi una vibrazione autoeccitata, l'energia cinetica della corrente/flusso d'aria che viene ad alimentarla e' in cosi' larga misura superiore all'energia che puo' essere assorbita dalla struttura da determinarne la distruzione anche in brevissimo tempo nel caso di aerei e in tempi relativamente piu' lunghi nei ponti sospesi. Il fenomeno vibratorio che ne risulta e' caratterizzato da una precisa frequenza, puo' essere di tipo stabile (cioè che tende a smorzarsi), o di tipo instabile (cioe' con ampiezze che tendono ad amplificarsi si parla di: instabilita' aeroelastica, instabilita' non Euleriana, le oscillazioni autoeccitate divergono => divergenza delle sollecitazioni => collasso strutturale). La stabilita' o meno dell'oscillazione e' normalmente funzione della velocita' relativa fluido/struttura ed e' quindi possibile definire, dei valori critici della velocita', raggiunti i quali il flutter assume estrema pericolosita'. E' da tener presente che l'instabilita' puo' verificarsi anche per una velocita' critica relativamente bassa se la sezione della struttura e' tale da favorire questo tipo di fenomenologia per esempio anche tramite la formazione e il distacco dei vortici di Von Karman che amplificano le oscillazioni torsionali. L'instabilita' aeroelastica determino' il crollo del ponte Tacoma Narrows: il vento di velocita' ragguardevole, i cui effetti statici erano tuttavia ampiamente previsti e tollerabili, ha soffiato per alcune ore, inducendo nella campata centrale oscillazioni torsionali di ampiezza inesorabilmente crescente. La rotazione torsionale dell'impalcato ha raggiunto angoli superiori ai 30 gradi sessagesimali rispetto all'orizzontale, causando a un certo punto la rottura dei cavi di sostegno e il collasso della struttura. E' possibile prevenire l'instabilita' aeroelastica mediante: una elevata rigidezza strutturale specie a torsione, posizionando opportunamente l'asse elastico e quello baricentrico nelle varie sezioni della struttura, un rigoroso bilanciamento delle superfici, oltre che con prove sperimentali sulle strutture e con complessi calcoli matematici (simulazioni numeriche).

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