Колебания мостов объясняются несинхронными движениями пешеходов

Люди могут раскачать мост, даже если они двигаются несинхронно и с различными скоростями – доказали математики.

Модель колебаний построили на примере Лондонского моста Миллениум. В 2000 году во время торжественного открытия на нем находились одновременно около 2000 пешеходов. Их движения вызвали колебания моста. Следуя распространенному представлению о колебательных системах, специалисты решили, что частота движений людей и моста совпала, это и вызвало резонанс. Тогда мост укрепили дополнительными демпферами – конструкциями, которые гасят колебания – и открыли мост заново.

Однако, по результатам исследования, раскачать мост могут не только люди, идущие в ногу, но и большое число пешеходов, которые двигаются вразнобой. Ученые создали математическую модель, которая показала, что колебательная система «мост-люди» потеряла баланс из-за того, что пешеходы двигались, пытаясь сохранить равновесие. В этом случае люди инстинктивно опираются кто на правую, кто на левую ногу. Вопреки ожиданиям, эти движения не нивелируют друг друга, а наоборот, складываются в энергию, которая может передаться мосту и усилить его колебания.

Автор исследования, заведующий лабораторией динамического хаоса Института информационных технологий математики и механики ННГУ им. Н.И. Лобачевского, профессор Университета штата Джорджия (США) Игорь Белых объясняет: «Мы знаем, что солдаты, проходящие по мосту, не должны идти в ногу, их движения не должны быть синхронными, чтобы мост не раскачался. Наша работа показывает, что это не является гарантией устойчивости моста, и солдаты неожиданно для себя могут инициировать его неустойчивость. Эти небольшие начальные колебания заставят солдат изменить частоту и ширину шага, таким образом усиливая колебания моста еще больше. В результате солдаты пойдут в ногу, будто пассажиры, идущие по палубе круизного лайнера, попавшего в шторм и раскачивающегося в поперечном направлении. Т.е. синхронизация шагов пешеходов на мосту является не причиной возникновения значительных колебаний моста, а их следствием. Что и произошло в случае Лондонского моста».

Все эти наблюдения и подтверждающие их математические модели лягут в основу авторской методики расчета параметров мостов. Она может быть использована для их проектирования и дизайна. Ученые планируют внедрить эти подходы в стандартный пакет программ, которым пользуются сегодня мостостроители всего мира.

Следующая цель ученых - создать формулу расчета критического числа пешеходов и диапазона опасных частот для заданного моста. Задачу будут решать силами лаборатории динамического хаоса ИИТММ ННГУ, в том числе с использованием суперкомпьютера «Лобачевский».