Von Karman: Οι εντυπωσιακές δίνες που καταστρέφουν γέφυρες – Έχουν εντοπιστεί και στην Ελλάδα
Το επικίνδυνο και σπάνιο φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί και στο Αιγαίο. Η ιστορία πίσω από την "επιστήμη των ρευστών" και ένα πείραμα με στροβίλους στο σπίτι.
- 09 Οκτωβρίου 2019 08:19
Καταπληκτικές και εντυπωσιακές μεγάλες αλυσίδες σπειροειδών δινών όπως αυτών της παραπάνω φωτογραφίας που παρατηρήθηκαν και κατεγράφησαν από τον Δορυφόρο Sentinel3 στις 6 Οκτωβρίου 2019 νότια των Καναρίων Νήσων, περιγράφηκαν για πρώτη φορά από τον Theodor von Kármán.
Ο Κarman ήταν Ούγγρο-Αμερικανός φυσικός, που πρώτος μελέτησε τις φυσικές διεργασίες που τις δημιουργούν. Ανάλογο φαινόμενο είχαμε και στις αρχές της φετινής χρονιάς συγκεκριμένα στις 4 Φεβρουαρίου 2019, ενώ στην ίδια περιοχή στις 25 Φεβρουαρίου του 2015 και κατεγράφη το φαινόμενο από τους δορυφόρους Terra Modis. Δείτε από εκείνη την ημέρα ένα καταπληκτικό video από τον δορυφόρο Meteosat Rapid-Scan που κατέγραψε την κίνηση των δινών (H Madeira βρίσκεται στα δεξιά της φωτογραφίας).
Οι δίνες von Kármán, μπορούν να σχηματιστούν σχεδόν παντού όπου η ροή του ρευστού έχει διαταραχθεί από ένα αντικείμενο. Στην περίπτωση αυτή, η μοναδική ροή παρουσιάζεται λόγω των ανέμων στις ψηλές κορυφές πάνω σε ηφαιστειακά νησιά. Καθώς οι άνεμοι εκτρέπονται γύρω από αυτές τις ψηλές περιοχές, η διαταραχή της ροής στα κατάντη διαδίδεται με τη μορφή των δινών που εναλλάσσονται με την κατεύθυνση περιστροφής τους.
Οι στρόβιλοι von Karman και στον ελληνικό χώρο
Η μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης τέτοιων στροβίλων παρουσιάζεται στον Ατλαντικό στην περιοχή των Αζορών και στη νήσο Madeira η οποία έχει βουνά με κορυφή περίπου τα 1800 μέτρα. Εκεί σχηματίζονται τα νέφη στρατοκούμουλους (marine SC) τα οποία δημιουργούν αυτές τις δίνες.
Ανάλογο φαινόμενο έχει παρατηρηθεί και στο Αιγαίο στη Σαμοθράκη η οποία έχει υψηλότερη κορυφή το “Φεγγάρι” με υψόμετρο 1.611 μέτρα. Με αυτό το ύψος, η Σαμοθράκη είναι το ψηλότερο ελληνικό νησί στο Αιγαίο -με την εξαίρεση των δύο μεγαλονήσων, της Κρήτης και της Εύβοιας και το όνομα του βουνού είναι Σάος, αλλά οι ντόπιοι το ονομάζουν «Φεγγάρι» (όπως και την υψηλότερη κορυφή του), καθώς είναι «τόσο ψηλό που κρύβει το φεγγάρι». Εξάλλου, το όνομα του νησιού σημαίνει «ψηλή Θράκη» -από το αρχαιοελληνικό σάμος = υψηλή.
Η ημερομηνία εμφάνισης αυτού του φαινομένου στο Αιγαίο ήταν η 30η Δεκεμβρίου 2007 και η περίπτωση μελετήθηκε από τους συναδέλφους στην ΕΜΥ (Φραγκούλη Π., Τσινιάρη Ε, Παπαιωάνου Ι.)
Το φαινόμενο παρουσιάστηκε μετά από μια ψυχρή εισβολή και για την εμφάνιση σημαντικό ρόλο είχε η επίδραση της “θερμής” θάλασσας, η κατώτερη αναστροφή (low level inversion) και η πνοή ανέμου εντάσεως περί τα 15 m/s (7 μπ ).
Στην ΕΜΥ γίνεται καταγραφή ανάλογων φαινομένων από το προσωπικό που εργάζεται σε βάρδιες στο Εθνικό Μετεωρολογικό Κέντρο και ακολούθως τα φαινόμενα μελετώνται από εξειδικευμένες ομάδες ή από το τμήμα μελετών της υπηρεσίας.
Η ιστορία πίσω από την επιστήμη των ρευστών
Το 1940, η στενή (πλάτος 12 μέτρα) κρεμαστή γέφυρα της Tacoma (Washington, USA) κατέρρευσε λίγο καιρό (4 μήνες ) μετά τα εγκαίνια της, και οι λόγοι της κατάρρευσης αποδόθηκαν, ύστερα από έρευνα, στη δυναμική καταπόνησή της από τον άνεμο. Η καταστροφή αποτυπώθηκε συμπτωματικά σε κινηματογραφική ταινία, όπου βλέπει κανείς την προοδευτική αύξηση του ύψους ταλάντωσης της γέφυρας σαν συνάρτηση του χρόνου, λόγω συντονισμού της ιδιοσυχνότητας της γέφυρας με την συχνότητα της δυναμικής καταπόνησης.
Η γέφυρα είχε μήκος 853 μέτρα, και ήταν κρεμαστή σιδερένια, και είχε μελετηθεί από ένα από τα μεγαλύτερα μελετητικά γραφεία των ΗΠΑ. Η γέφυρα από την αρχή παρουσίαζε προβλήματα ταλαντώσεων όταν έπνεε άνεμος (όχι ιδιαίτερα μεγάλης ταχύτητας),και είχε μετρηθεί μία φορά ταλάντωση ύψους 1.5 μέτρα, χωρίς να πέσει.
Πριν την πτώση της γέφυρας της Tacoma λίγα ήταν γνωστά για τη δυναμική καταπόνηση των κατασκευών, οι οποίες υπολογίζονταν μόνο για στατικά φορτία. Ο άνεμος την ημέρα που έπεσε η γέφυρα ήταν 68 km/h, δεν ήταν δηλαδή εξαιρετικά υψηλή η ταχύτητα του ανέμου. Το πρόβλημα δημιουργήθηκε από τον συντονισμό της συχνότητας της εμφάνισης δινών πίσω από την γέφυρα (δυναμική καταπόνηση ) με την ιδιοσυχνότητα της γέφυρας.
Ο πρώτος που αντελήφθη τον μηχανισμό πτώσεως της γέφυρας ήταν ο διάσημος Καθηγητής της ρευστομηχανικής στο California Institute of Technology (CALTECH, USA) von Karman, ο οποίος και διετύπωσε την άποψη, ότι η καταστροφή αυτή ήταν περίπτωση συντονισμού από την περιοδική εκπομπή στροβίλων λόγω ανέμου, σύμφωνα με την θεωρία των περίφημων von Karman vortex street που είχε διατυπώσει ο ίδιος.
Πέραν της θεωρητικής επεξήγησης κατασκεύασε και ένα μικρό απλοποιημένο λαστιχένιο ομοίωμα της γέφυρας και το τοποθέτησε σε εργαστηριακά ελεγχόμενο ρεύμα αέρα. Σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα του αέρα η γέφυρα άρχισε να ταλαντώνεται πάρα πολύ βίαια καθώς όλα τα κυλινδρικά σώματα, όταν τίθενται κάθετα σε μια ροή ρεύματος, θα συμπεριφερθούν ποιοτικά όπως ο κυκλικός κύλινδρος.
Η ταλάντωση των γεφυρών δεν είναι το μόνο είδος προβλήματος που συναντάμε εξαιτίας της εκπομπής στροβίλων. Παραπλήσια προβλήματα εμφανίζονται σε υποβρύχιους αγωγούς (π.χ. διαθέσεως λυμάτων, μεταφοράς πετρελαίου κλπ.) στον πυθμένα της θάλασσας λόγω θαλασσίων ρευμάτων.
Αλλά παραδείγματα είναι τα καλώδια μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας που δημιουργούν ήχο, ο οποίος συνήθως είναι μόνο ακουστική ενόχληση, αλλά σε συνδυασμό με το φαινόμενο της κόπωσης υλικών, αυτός ο υψηλής συχνότητας και μικρού μεγέθους ήχος είναι γνωστό ότι σπάει τα καλώδια!
Τα υποβρύχια περισκόπια είναι επίσης ευαίσθητα στις ταλαντώσεις σε συγκεκριμένες ταχύτητες εξαιτίας της εκπομπής στροβίλων, οπότε η προκύπτουσα θόλωση της εικόνας του περισκοπίου καθιστά το περισκόπιο άχρηστο. Επίσης οι περισσότερες καταστροφές από ανεμοπίεση σε χαμηλά κτίρια (στέγες, καμινάδες, τζαμαρίες κλπ.) οφείλονται σε στατικά φορτία και όχι σε δυναμικά, επειδή η κατασκευή των μικρών έργων είναι σχετικά με το μέγεθός τους, συμπαγής.
Ένα πείραμα με στροβίλους στο σπίτι
Θα χρειαστείτε ένα μεγάλο κουβά (κατά προτίμηση σκούρο χρώμα), ένα μπουκάλι μπλε μελάνι και κάποια σκόνη τάλκης. Μόλις συγκεντρώσετε αυτά τα βασικά στοιχεία, γεμίστε τον κάδο με νερό και προσθέστε λογικό ποσό μελάνης σε αυτό – ίσως ένα γεμάτο καπάκι.
Ανακατέψτε καλά, ώστε το νερό να γίνει ομοιόμορφα μπλε. Τώρα πατήστε το δοχείο σκόνης ταλκ με τα δάκτυλά σας, έτσι ώστε η σκόνη να πέσει απαλά στην επιφάνεια του νερού. Συνεχίστε να προσθέτετε τη σκόνη μέχρι να καλύψει ομοιόμορφα ολόκληρη την επιφάνεια. Με αυτό το εργαστήριο είναι έτοιμο και είναι καιρός να προχωρήσουμε στο πείραμα. Πάρτε ένα κυλινδρικό αντικείμενο σαν ένα στυλό, και τρυπήστε την επιφάνεια του νερού μαζί του έτσι ώστε να βάλετε μέσα κατά 10 cm περίπου το στυλό (Εάν η σκόνη τρέχει μακριά από τη συσκευή τύπου πένας, πρέπει να καθαρίσετε σωστά την επιφάνεια της πένας). Κρατώντας την πένα κάθετα στην επιφάνεια, μετακινήστε απαλά τη στυλό κατά μήκος της επιφάνειας και κοιτάξτε το δείγμα της. Θα πρέπει να δείτε τις δίνες von Kármán!
Αυτή η τεχνική απεικόνισης είναι ουσιαστικά παρόμοια με αυτή που χρησιμοποιήθηκε από τον Prandtl. Παίξτε με την ταχύτητα και το μέγεθος του κυλινδρικού σώματος. Θα δείτε ότι όσο πιο γρήγορα κινούμαστε, τόσο ταχύτερα δημιουργούνται οι δίνες και όσο μεγαλύτερο είναι το μέγεθος του σώματος, τόσο μεγαλύτερες είναι οι δαιδαλές. Κοιτάξτε προσεκτικά και παρατηρήστε προσεκτικά τις “στροβιλιές” που προέρχονται από το σώμα.
Παραπομπές για περισσότερα
