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Accoppiamento armonico Rotazione - accoppiamento vibratorio Interazione fluido-struttura |
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Quantum-meccanico accoppiamento Rotavibrational spettroscopia vibronici accoppiamento angolare slancio accoppiamento accoppiamento scalare |
Il flutter esamina le vibrazioni delle strutture elastiche in un flusso d'aria. Una struttura flessibile, come l'ala di un aeroplano o un grande ponte come quello di Millau , può vibrare a causa del flusso d'aria. Ciò è dovuto alla velocità dell'aeromobile o al vento nel caso di opere di ingegneria civile.
Le cause di queste vibrazioni possono essere separate in due famiglie principali:
Le vibrazioni indotte dalla turbolenza derivano dal fatto che la velocità del vento non è mai costante e che si evolve nel tempo oltre che nello spazio. Ciò si traduce in forze aerodinamiche non costanti che possono far vibrare una struttura. Nel caso di un aereo, la variazione della densità dell'atmosfera attraversata dalla macchina genera un problema simile. Vibrazioni turbolenza indotta sono un problema importante per i costruttori di grandi sospensione e strallati ponti perché queste strutture sono molto flessibili durante le fasi di costruzione. Inoltre, una struttura dalle forme complesse sottoposta ad un flusso d'aria genera su se stessa una turbolenza che agisce di ritorno sulla struttura. È il caso, ad esempio, del fenomeno del tremore per gli aeroplani e che può limitarne la velocità di volo.
Le vibrazioni indotte dal vortice riguardano principalmente i cilindri allungati e sono state studiate in particolare sul cilindro circolare. Nell'aeroelasticità, le vibrazioni generate dal distacco di vortici alternati (vortici di Bénard - Von Karman dal nome dei loro primi scopritori), sono raramente dannose anche in caso di risonanza. Infatti, le ampiezze delle vibrazioni raggiunte sono fortemente dipendenti dal rapporto di massa tra la struttura e il fluido che la circonda. Maggiore è questo rapporto, minori sono le ampiezze e in aeroelasticità i rapporti di massa tra la struttura e l'aria sono ovviamente molto alti. Questo non è il caso delle strutture offshore soggette alle correnti oceaniche, per le quali le vibrazioni indotte dai vortici sono un problema importante.
Le vibrazioni indotte dal movimento sono causate da instabilità aeroelastiche che si attivano quando la velocità media del vento è superiore a una "velocità critica". La sfida degli studi e della ricerca riguarda generalmente la determinazione di questa velocità critica, quando esiste, ed è garantire che non venga mai raggiunta. Ad esempio, per un aereo, facciamo in modo che questa velocità critica sia maggiore della velocità raggiungibile dalla macchina. Allo stesso modo, per una struttura di ingegneria civile, si verifica che la velocità massima del vento data dalle previsioni meteo per il sito di installazione rimanga al di sotto della velocità critica. Come è comune in altri campi dell'ingegneria, dovrebbe essere applicato un fattore di sicurezza.
Esistono diversi tipi di instabilità aeroelastiche, spesso qualificate con il termine generico di " fluttuante ":
Il galleggiante classico riguarda generalmente i profili flessibili dell'ala. È il risultato di un accoppiamento dei movimenti di torsione e flessione dell'ala, le cui frequenze naturali sono modificate da forze aerodinamiche. Se le frequenze di torsione e flessione si uniscono per una data velocità del vento, la dinamica del sistema diventa instabile in quanto il movimento sarà notevolmente amplificato e porterà generalmente alla distruzione del velivolo. In questo problema è fondamentale la differenza di frequenza naturale tra il movimento di torsione e quello di flessione: maggiore è quest'ultimo, maggiore sarà la velocità critica. Questa instabilità è anche chiamata "instabilità di confusione di frequenza".
Il galleggiante di stallo riguarda strutture di ingegneria civile flessibili che a priori non sono profilate come un'ala di aeroplano. È un'instabilità che si applica a un movimento di sola flessione o di sola torsione. Le forze generate dal vento deformano la struttura. Questa deformazione altera il flusso d'aria, che a sua volta altera la deformazione e così via. Al di sopra di una velocità critica, può accadere che le proprietà aerodinamiche della struttura siano tali che l'energia di queste oscillazioni venga catturata dalla struttura che non può più dissiparla. L'ampiezza vibratoria aumenta gradualmente. Si parla quindi di "instabilità mediante smorzamento aggiunto". Un esempio noto è quello del Tacoma Bridge che crollò nel 1940 a causa dell'instabilità torsionale dell'impalcato. Quando il galleggiante di stallo viene applicato a un movimento di flessione, il fenomeno viene chiamato "galoppo".