جسر تاكوما ناروز

2014 أبجدية مهندس

هنري بيتروسكي

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

الرياضيات والهندسة الهندسة

جسر تاكوما ناروز (Tacoma Narrows Bridge). بُني هذا الجسر فوق امتداد بدجت ساوند(Pudget Sound) المعروفة ناروز، بين تاكوما (Tacoma) في واشنطن وشبه جزيرة الأولمبيك(the Olympic Peninsula)، وقد مزقته الرياح في تشرين الثاني/ نوفمبر عام 1940 بعد أربعة أشهر من افتتاحه فقط.

كان هذا الجسر قد صُمّم ليسمح بخطي سير للسيارات في منطقة مبعثرة السكان، وكان متن الجسر ضيقاً وضحلاً، ودُعّم بجسور خشبية مسطحة بدلاً من الجملونات العميقة، وذلك لأسباب اقتصادية وجمالية. وهذا يعني أن مقاومة المتن للثني واللف منخفضة على نحو غير مألوف. وعندما هبّت الريح بطريقة ما، تماوج السطح صعوداً ونزولاً وهذا ما أكسب الجسر الكنية التهكّمية "الديناصور المهرول". وبعد نحو أربعة أشهر، بدأت اهتزازات التوائية عندما تحرك كابل من مكانه في منتصف مجاز الجسر. وتضخّم مطال الاهتزازات بسبب ظاهرة تعرف باسم تفاعل الريح مع الهيكل، وفي نهاية الأمر كانت القوى الأيروديناميكية على المتن من الشدة بحيث إن المجاز المركزي تحطم وسقط في المياه.

لأن جسر تاكوما ناروز كشف عن حركات كبيرة غير متوقعة منذ البداية، فقد كان موضع دراسة مباشرة. وعندما بدأ الالتفاف الإيقاعي وضعت آلات التصوير في العمل، لذا تم تصوير فيلم فشل الجسر. وهذا الفيلم وغيره من الأفلام التي صورت بإدارة فريدريك بيرت فاركهارسون (Frederick Burt Farquharson)  (1895-1970) الذي كان أستاذاً في قسم الهندسة المدنية في جامعة واشنطن الذي درس سلوك الجسر، أصبحت من بين الأفلام المعروفة جداً والتي تدرس. وقد شاهد طلّاب الفيزياء في المدارس الثانوية وطلبة صفوف الهندسة مراراً صور انهيار الجسر باعتبارها من أكثر الصور المعروفة لفشل هندسي. وفي الواقع فحتى انهيار برجي مركز التجارة العالمية التوأمين عقب الهجوم الإرهابي في الحادي عشر من أيلول/ سبتمبر عام 2001، كان فشل جسر تاكوما ناروز ربما الفشل الهيكلي الأبشع لكل الأوقات.

كثيراً ما عُزي سبب الفشل خطأً إلى مجرد الطنين، أي الظاهرة التي تسبب تكسر كأس نبيذ عندما وصول صوت المغني إلى نغمة طنين عالية. وفي الواقع فإن فشل الجسر يعود إلى عدم استقرار أيروديناميكي، يرتبط بظاهرة تفاعل معقّد بين الريح والهيكل. وهذه هي الظاهرة التي يستجيب على أساسها هيكل متن الجسر للريح وبالالتواء مما يقود إلى توسع السطح المتعرض للريح، الذي بدوره سيزيد أثر الريح في ليّ الهيكل أكثر. ويقاوم مرونة أو نابضية الهيكل الالتواء، وعند وصولها إلى أكبر زاوية تتسبب هذه المرونة أن يأخذ المتن بالالتواء في الاتجاه المعاكس، وتكرار هذا ينتج عنه اهتزاز متكرر لمتن الجسر. إن التفاعل الهيكلي مع الريح كان مترافقاً مع ظهور دوامات الهواء (بالطريقة نفسها التي يُحدثها قارب متحرك في الماء تاركاً وراءه تموجات في الماء)، وهو ما أدى بدوره مزيداً من القوى التكرارية التي سببت السقوط في النهاية.

عقب فشل جسر تاكوما ناروز، أخذ تصميم متن الجسر المعلق يُعرّض للاختبار في أنفاق هوائية قبل بنائه. وأعيد بناء جسر تاكوما ناروز وافتتح عام 1950، وأصبح أكثر عرضاً وخصصت فيه أربعة مسارات للسيارات مع ركائز جمالونية تقليدية تحت المتن. انظر مقال:"Still Twisting," American Scien­tist, September-October 1991, pp. 398-401; "Tacoma Narrows Bridges," American Scientist, March-April 2009, pp. 103-107; To Forgive Design: Understanding Failure (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, forthcom­ing), chapter 9. See also Richard S. Hobbs, Catastrophe to Triumph: Bridges ofthe Tacoma Narrows (Pullman: Wash­ington State University Press, 2006); Richard Scott, In the Wake of Tacoma: Suspension Bridges and the Quest for Aerodynamic Stability (Reston, Va.: ASCE Press, 2001).