Esto tiene que ver con algo llamado frecuencia de resonancia de un material.
Cada objeto “prefiere” vibrar a cierta frecuencia cuando absorbe energía.
Para un puente, esta frecuencia preferencial depende tanto de los materiales utilizados para su construcción como del tipo de puente que es -suspensión, voladizo, etc.-
Cada vez que una persona camina sobre el puente, él / ella transfiere una porción de energía de cada paso al puente. Esto hace que el puente absorba la energía y vibre. Por supuesto, para una sola persona, la energía impartida y absorbida por el puente es muy, muy pequeña. En consecuencia, la amplitud, el desplazamiento máximo desde la posición de reposo, de las vibraciones es insignificante.
El factor importante a tener en cuenta aquí es que hay 2 frecuencias en juego aquí.
La frecuencia con la que la persona transfiere energía y la frecuencia con la que vibra el puente.
Si estas dos frecuencias son diferentes, parte de la energía que se transfiere de cada paso en realidad “lucha” o “cancela” la vibración del puente, manteniendo su amplitud baja.
¿Qué sucede cuando las dos frecuencias descritas anteriormente se acercan?
La proporción de energía de ese único paso que entra en la conducción del puente para vibrar se vuelve cada vez mayor, hasta que alcanza el punto donde las dos frecuencias se vuelven iguales entre sí. En ese punto, casi toda la energía con la que la persona en el puente está empujando, se destina a hacer que el puente vibre a la frecuencia a la que “quiere” vibrar.
El resultado neto es un fuerte aumento en la amplitud de las oscilaciones.
Por supuesto, siempre y cuando sea una sola persona, la energía transferida no es suficiente para hacer que el puente tiemble lo suficiente como para que falle.
Esto cambia dramáticamente cuando un número razonable de soldados marcha al unísono sobre un puente.
Marchar es uno de los ejercicios básicos que se enseñan en el soldado. Como resultado, cualquier escuadrón de guerreros bien disciplinados marchará al unísono perfecto. Todas las energías de sus pasos individuales se transferirán simultáneamente al puente.
Ahora, si su frecuencia de marcha es igual a la frecuencia “preferencial”, también llamada frecuencia natural o resonante del puente, tiene una situación en la que se transfiere un gran bloque de energía al puente, justo a esa frecuencia que causa un gran aumento de amplitud
A medida que aumenta la energía dentro de los miembros que sostienen el puente, comienzan a vibrar aún más, siendo impulsados por la marcha monotónica. Esto hace que los elementos estructurales se doblen y flexionen radicalmente hasta que algo exceda sus límites de diseño.
En poco tiempo, tendrás un puente en ruinas y un escuadrón de soldados fuera de acción durante algún tiempo.
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Según los informes, este fenómeno ocurrió por primera vez en Gran Bretaña en 1826. La entrada de Wikipedia en el Puente Colgante de Broughton tiene más detalles. Este incidente aparentemente causó la implementación de la orden de “paso de ruptura” dada a los soldados cada vez que cruzan un puente.
Si cada soldado marcha a una frecuencia sustancialmente diferente, sus vibraciones inducidas tenderán a cancelar la vibración de la frecuencia de vibración del puente.
Es interesante saber que incluso hoy en día los problemas con las oscilaciones inducidas por resonancia surgen inesperadamente.
Cuando el Puente del Milenio se abrió al tráfico peatonal, experimentó movimientos de balanceo muy agudos. Las investigaciones revelaron que se trataba de un fenómeno inducido por resonancia, pero que actuaba lateralmente en lugar de verticalmente. Cada vez que alguien camina, hay un ligero movimiento de balanceo que imparte un componente horizontal a la fuerza que se transfiere a la superficie para caminar.
Con hasta 2000 personas en el puente en cualquier momento, esto hizo que el puente se balanceara significativamente hacia un lado. A medida que se inclinaba, las personas tenían que cambiar su movimiento para mantener el equilibrio, tanto en el espacio como en el tiempo. Dado que dar un paso en los extremos de la oscilación era fácil, todos caminaron al mismo tiempo en el punto más bajo de oscilación, en efecto marchando en el mismo paso que lo harían los soldados. Esto indujo vibraciones armónicas en el puente no verticalmente, sino lateralmente.
El problema se estudió ampliamente y se agregó una serie de amortiguadores, muy similares a los encontrados en la suspensión de vehículos, lo que reduce la amplitud de las oscilaciones y hace que el puente sea seguro nuevamente.
Las vibraciones resonantes también son responsables de otros dos fenómenos populares.
El balanceo de un columpio, en el que si cronometras tus empujes exactamente a la derecha, podrás hacerlo mucho más alto que en otros momentos. Esto es simplemente un caso del sistema swing + body que actúa como un péndulo y donde, la fuerza impulsora coincide con la frecuencia natural del péndulo.
El segundo es el agrietamiento de objetos de vidrio utilizando energía sónica. El sonido es esencialmente ondas de presión que viajan en el aire. Si la frecuencia de estas ondas es igual a la frecuencia natural del objeto en cuestión, la falla inducida por resonancia es ciertamente posible. Mira el video en el siguiente enlace.
Rompiendo vidrio con sonido