Binaların Deprem ve Rüzgar Nedeniyle Sallanmasını Nasıl Engelleriz?

Binaların Sallanmasını Nasıl Engelleriz? LEGO Satürn V Ayarlı Kütle Sönümleyici

Bu videoda kullanabilmem için Lego bana Satürn V roketlerinden bazılarını gönderdi.

Ama aslında bu, uzayla ilgili bir video değil. Uzun binaların sallanmasının önüne nasıl geçebildiğimizin ardında yatan fizikten bahsetmek istiyorum. Mesela gökdelenlerin rüzgârda ya da depremde çok fazla sallanmasının önüne nasıl geçeriz?

Bir şey ne kadar uzun olursa ileri geri sallanmaya daha meyillidir. Bunu göstermek için Satürn V, en iyi ve en havalı LEGO seti olacakmış gibi duruyor (en gerçekçi olmasa bile).

Eğer kırılacağından ya da içerideki insanların korkacağından endişelendiğiniz için uzun cisminizin sallanmasını istemiyorsanız onu daha katı yapabilirsiniz. Ya daha fazla madde ekleyebilirsiniz ya da daha sert maddeler kullanabilirsiniz. Bu her zaman en zekice çözüm değildir, hatta gittikçe pahalılaşır.

Ama daha dahiyane bir çözüm vardır.         

Bir fizikçinin bakış açısından uzun bir bina gerçekten de yukarı-aşağı salınan bir sarkaçtır. Bir tarafa doğru biraz eğildiğinde binanın doğal sertliği onu öteki tarafa çeker ve bu böyle süregider.

Yay ile birbirine bağladığınız ikili sarkaç sistemleriyle ilgili bariz bir fenomen vardır: Enerjiyi ileri ve geriye doğru aktarırlar; önce biri salınır, sonra diğeri tüm bu salınımı alır, sonra tekrardan birincisi alır ve bu böyle devam edip gider.

Aynı şey katı cisimler ve yaylar için de geçerlidir. Bu durum birlikte salınım yapan diğer herhangi iki cisim için de geçerlidir.

İdeal sürtünmesiz bir simülasyonu düşünürsek bu salınım (enerji aktarımı) sonsuza kadar devam eder.

Ama gerçek dünyada sürtünme ve hava direnci vardır. Ve yay ısınıp nesnenin enerji kaybetmesine yol açabilir. Böylece sallanmalar zaman içinde sönümlenir. Bu fenomen sayesinde boylamasına uzanan sarkacınızın (bina kastediliyor) istemediğiniz şekilde sallanmasının önüne geçersiniz.

Büyük uzun bir nesne; uzunluğuna, ağırlığına ve sertliğine bağlı olarak değişen kendi doğal frekansında ileri geri salınmak isteyecektir. Sonra ona yukarı ve aşağı sallanabilen daha küçük bir nesne tutturduğunuzda ve biraz da sürtünme eklediğinizde büyük nesne, enerjisini küçük nesneye aktaracaktır. Küçük nesne de enerjisini büyük nesneye aktarmaktansa sürtünmeden dolayı bu enerjisini kaybedecektir. Bu da büyük nesnenin sallanmasını sönümler.

Pratikte normal olarak, küçük nesneyi büyük nesnenin içine koyarsınız. Daha çok buna benzer ama ilke olarak aynıdır. Sadece eski, küçük bir nesne ile eski bir yay kullanmak işinizi görmeyecektir.

Herhangi bir büyük nesneye karşılık, optimum bir ağırlık, sürtünme ve yay sabiti kombinasyonuna sahip küçük nesne vardır. Ve sadece düzeneğinizi mükemmel bir şekilde kurarsanız enerji kaybınızı mümkün olan en kısa zamanda en aza indirirsiniz ve sallanmayı da en yavaşa çekersiniz.

İşte bu yüzden bu düzeneğe “tuned mass damper (ayarlı kütle sönümleyici)” deniyor. "Damper (sönümleyici)", çünkü sallanmayı sönümlüyor. “Tuned (ayarlı)” deniyor çünkü bu küçük nesne, doğal eğilimi sallanma olan bu büyük nesnenin enerjisinden çalmaya ayarlanmıştır.

Bu da bizi LEGO Satürn V roketlerine getiriyor: Roketlerden birine ay modülünün gideceği kısma ağırlıklı bir sarkaç yerleştirdim, diğerindeki ağırlık ise yere sabitlenmiş konumda.

Eğer her şey yolunda giderse ve hesaplamalarım da doğruysa masaya vurduğumda sarkaçlı roketin sarkaçsız halinden çok daha az sallanması lazım. Gördüğünüz gibi ayarlı kütle sönümleyicinin gerçekten yardımı dokunmakta! (ama hemen öyle göze çarpmıyor tabii).

Ayarlı kütle sönümleyicileri gerçekte Satürn V roketinde bu şekilde kullanılmadı (çünkü ay modülünün yeri burasıydı) ama gökdelenlerde ve bina olmayan diğer şeylerde kullanılmaktadır. Fark etmek ise genelde zordur. Örneğin elektrik tellerine baktığınızda birçoğunda şu küçük dambıl benzeri şeyleri görürsünüz. İşte bunlar, tellerin rüzgarda çok fazla sallanmasını engelleyen ayarlı kütle sönümleyicileridir. Ayarlı kütle sönümleyicileri, ayrıca, uçak motorlarındaki, Formula 1 yarış arabalarındaki ve hoparlörlerdeki istenmeyen titreşimleri azaltmak için de kullanılmıştır.

Ayarlı kütle sönümleyiciyi ya da başka bir deyişle büyük şeylerin sallanmasını engellemek amaçlı küçük şeylerin kullanımını gördünüz.

Destek Olun

Bu video, MinutePhysics tarafından hazırlanmış, Evrim Ağacı tarafından altyazılandırılmıştır. Eğer içeriği beğendiyseniz orijinal kaynağa destek olmak için, lütfen YouTube kanalına gidip videolarını beğenmeyi unutmayın.

MinutePhysics kanalının bu videosunu orijinal dilinde ve İngilizce alt yazılı olarak buradan seyredebilirsiniz: