Одним из фундаментальных положений строительной статики является условие, что нагрузки на конструкцию неподвижны и постоянны по величине и что конструкция нагружается медленно. Так медленно, что нет никаких динамических эффектов. Строго говоря, это положение неверно, но практически вполне удовлетворительно отражает невидимый конфликт в подавляющем большинстве случаев.
Динамическое воздействие полезной нагрузки такого рода, как люди, совершенно не учитывается. Поэтому основные конструктивные формы продиктованы почти исключительно соображениями восприятия и передачи неподвижных, статических нагрузок. Неслучайно, что и главные испытания конструкций проводятся с целью выяснения именно статических нагрузок.
Но поэтому же динамическое воздействие нагрузок, когда оно отчетливо выражено, дает неожиданный эффект. По механизму воздействия динамические нагрузки неисправимы с обычными статическими нагрузками, и, если пренебречь этой особенностью, последствия могут быть самыми неприятными, вплоть до катастрофы. Именно таким является случай с Такомским мостом.
Конструкторы приняли экстренные меры для улучшения аэродинамических характеристик моста (что является одним из методов смягчения конфликта до приемлемых границ). Из предложенных пяти видов защитных средств был выбран вариант с полукруглыми деревянными щитами, которые должны были монтироваться на уровне путёвого полотна на всем его протяжении. Но события опередили конструкторов.
7 ноября 1940 г. начал дуть ветер, средняя скорость которого составляла 67 км/ч. Мост раскачивался, как простыня, вывешенная для просушки. Частота волновых колебаний (сверху вниз) достигала 36 циклов в 1 мин. С двух берегов реки на мост были направлены десятки камер. К 10 ч утра частота колебаний снизилась до 10 циклов в 1 мин и два каната оказались в противоположных фазах: когда один бросало вверх, другой опускался вниз. Путевое полотно подвергалось сильному кручению, так что поперечный наклон достигал 45°. Ускорения отдельных его точек по величине напоминали естественное земное ускорение. Балки жесткости сильно изогнулись, подвески стали разрываться и на глазах смятенных очевидцев мост стал распадаться секция за секцией. Эта грандиозная катастрофа, хотя и без человеческих жертв, потрясла весь инженерный мир, И до сих пор она приводится в качестве примера динамического воздействия ветра, его пульсаций.
Динамический эффект состоит главным образом в том, что в отдельных точках конструкции возникают значительные ускорения. А так как речь идет об ускорениях определенных масс вещества, возникают силы инерции. (Вспомним второй закон Ньютона!) Силы инерции в зависимости от обстоятельств могут быстро меняться как по величине, так и по направлению, а часто и по месту их приложения. Впрочем, различные виды динамических нагрузок нам уже знакомы. К ним относится воздействие множества машин. Динамическими, по существу, являются и процессы, которые происходят в конструкции во время землетрясения. В этом случае ускорения передаются снизу, со стороны основания, которое вибрирует сложным, строго индивидуальным для каждого землетрясения образом.
До некоторой степени строительные конструкции можно сравнить со струнами музыкального инструмента. Когда рука дергает эти струны (рис. 42), они начинают колебаться с частотой специфической для каждой конструкции. Возникают даже звуковые колебания, и хотя мы не слышим этот инфразвук, он тем не менее прекрасно ощущается живыми организмами. Многие ученые считают, что немаловажной причиной паники во время землетрясений являются именно инфразвуки, которые издают колеблющаяся земная кора и здания и которые скрыто воздействуют на человеческую психику и физиологию.
Но вернемся к колебаниям. Так называемые собственные частоты колебаний, подобно отпечаткам пальцев у людей, строго индивидуальны. Это просто данность, значение которой мы не всегда даже можем себе представить. Чем ближе частоты внешнего динамического воздействия к собственным частотам колебания сооружения, тем больше динамический эффект — ускорения, инерционные силы, амплитуды колебаний. На рис. 43 графически показана зависимость этого эффекта от частоты возможного внешнего воздействия. Рассматривается конструкция, представленная на рис. 42, собственная частота которой равна 4 колебаниям в 1 с. Это так называемый динамический коэффициент: на него надо умножать усилия и деформации, определенные при статическом воздействии нагрузки. Когда частота внешнего воздействия равна нулю, динамический коэффициент равен единице, т. е. динамический эффект отсутствует. С ростом этой частоты динамический эффект резко увеличивается, пока не достигнет критического порога — околорезонансной области, когда внешнее воздействие имеет частоту, близкую к собственной частоте конструкции. Разумеется, на практике при резонансе динамический эффект не может быть бесконечно большим, так как конструкция сопротивляется воздействию, но, во всяком случае, последствия динамического конфликта при этом особенно велики. Если источник вибраций является достаточно мощным, дело может быстро закончиться разрушением.