Pesquisadores da Universidade Nacional de Seul descobriram estrutura com uma forma helicoidal inspirado pelo caule de narciso (Narcissus) – pode reduzir o arrasto e eliminar flutuações de força lateral.
Em 1940, a ponte Tacoma Narrows entrou em colapso em forma dramática, torcendo pelos ventos e mergulhou na água. Como o vento soprou em toda a extensão, o fluxo de forças laterais oscilantes ajudaram a derrubar a ponte – apenas alguns meses após a abertura. Este tipo de oscilação de força lateral também pode danificar antenas, torres e outras estruturas.
Os investigadores descrevem suas descobertas na semana de Física dos Fluidos, da AIP Publishing.
Forças laterais entram em jogo sempre que o vento flui através de um objeto alongado – como quando você poe o braço para fora do carro em movimento. À medida que o ar flui em torno de seu braço, ela forma vórtices que saem da parte superior e inferior do seu braço de forma alternada. Este desprendimento de vórtices, como é chamado, dá forças periódicas no seu braço.
“Você vai se sentir imediatamente que o seu braço será forçado a se mover para cima e para baixo”, explica Haecheon Choi, da Universidade Nacional de Seul.
Este fenômeno, chamado de Von Karman vórtices, afeta toda a estrutura alongada presa em correntes de vento ou de água, tais como postes de luz, arranha-céus e os longos tubos verticais utilizados para perfuração de petróleo no mar.
No caso da ponte Tacoma Narrows, a frequência dessas forças periódicas encontrou sua frequência de ressonância.
“Este desprendimento de vórtices desencadeou o modo de torção da ponte,” disse Choi, “e, finalmente, a ponte caiu.”
Para encontrar uma maneira de reduzir essas forças, os pesquisadores analisaram a natureza como inspiração. Especificamente, eles estudaram a forma de uma haste narciso, cuja torção, secção transversal que lhe permite afastar-se do vento e proteger suas pétalas.
Os pesquisadores usaram simulações de computador para explorar a dinâmica de fluidos ao redor do caule de narciso: a forma helicoidal torcido, cilindro elíptico. Eles testaram diferentes variações – alguns com cortes transversais mais elípticas ou com mais torce, por exemplo – em suave, o fluxo de ar laminar ou um vento mais turbulento.
Em ambos os casos, a forma narciso fez uma grande diferença.
“Alguns cilindros helicoidalmente torcidas aniquilaram o desprendimento de vórtices, resultando em redução de arrasto e zero flutuações de força lateral”, disse Choi. Em comparação com um cilindro redondo, o formato narciso arraste reduzido em 18 e 23%, respectivamente, para laminar e escoamentos turbulentos.
A geometria original do caule de narciso poderia ser utilizada para conceber estruturas mais estáveis. Embora tal forma provavelmente não faz sentido para uma ponte, ele poderia trabalhar para coisas como antenas, postes, chaminés, tubos de perfuração de petróleo submarinas, arranha-céus e até mesmo clubes de golfe.
Fonte: Physics of Fluids