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Oct 25, 2023

Der seltsamste und spektakulärste Brückeneinsturz (und wie wir es falsch verstanden haben)

Am Morgen des 7. November 1940 um 10 Uhr morgens war Professor F. Bert Farquharson einer der wenigen Menschen, die auf der drittlängsten Brücke der Welt standen, als sie hüpfte und sich drehte, und er wusste es wahrscheinlich

Am Morgen des 7. November 1940 um 10 Uhr morgens war Professor F. Bert Farquharson einer der wenigen Menschen, die auf der drittlängsten Brücke der Welt standen, während sie hüpfte und sich drehte, und er wusste wahrscheinlich besser als jeder andere, wie sie sich bei einem Sturm verhielt . Aber dieses. „Wir wussten schon in der Nacht, als sich die Brücke öffnete, dass etwas nicht stimmte“, sagte er später. Jetzt stimmte etwas nicht, und mit jeder Welle aus Stahl und Beton schien es immer schlimmer zu werden.

Und irgendwo draußen auf der kurvenreichen Brücke – man kann es in diesem traumhaften Kodachrome-Filmmaterial sehen – rutschte ein Auto über das Deck, in dem Tubby gefangen war.

Aus der Ferne sah die Tacoma Narrows Bridge wie ein langes Band aus, das sich über den Puget Sound in Washington erstreckte, und an windigen Tagen verhielt sie sich auch wie ein solches. Schon vor seiner Eröffnung für die Öffentlichkeit, vier Monate zuvor im Juli 1940, neigte das an zwei massiven Türmen hängende Mittelschiff zum Tanzen. Bei leichtem Wind kräuselten sich langsam rollende Wellen über das Beton- und Stahldeck – scheinbar mit nur geringem Schaden – und hoben und senkten es manchmal um bis zu drei Meter.

Ingenieure suchten nach einer Möglichkeit, sie am Schwanken zu hindern, und jemand erfand den Spitznamen „Galloping Gertie“, nach einem beliebten Saloon-Klavierlied, und er blieb hängen. Beamte versicherten der Öffentlichkeit, dass die Brücke sicher sei und innerhalb weniger Monate zu einem zentralen Bestandteil der lokalen wirtschaftlichen und militärischen Interessen wurde, wodurch die zweieinhalbstündige Fahrt zwischen Tacoma, Washington und der Kitsap-Halbinsel auf 11 Minuten verkürzt wurde und verbindet Seattle und Tacoma mit dem Puget Sound Naval Yard.fl

Für einige mutige Autofahrer und Fußgänger war es ein billiger Nervenkitzel, Gertie zu überqueren, während sie wie eine Achterbahn rollte (die Mautgebühr betrug 0,75 US-Dollar für Autos und nur einen Cent für Fußgänger). Ihre leichten Stahlträger und die dünne Betonschicht ermöglichten eine gewisse ungewöhnliche Flexibilität. Aber niemand war sich ganz sicher, warum sie sich im Wind beugte oder wozu das führen könnte.

Auftritt Farquharson. Der 45-jährige Ingenieurprofessor an der University of Washington war einer der angesehensten Experten der Region für die Natur von Brücken, als er im Sommer vom Staat eingestellt wurde. Seine Aufgabe war es, einen Weg zu finden, Gertie zu zähmen, bevor es zu spät war. Tatsächlich glaubte er nur wenige Tage zuvor, eine Lösung gefunden zu haben.

Aber am 7. November um 10 Uhr morgens spielte das alles keine Rolle mehr. Ungefähr eine Stunde lang schwankte Gertie stärker als sonst, da der Wind Geschwindigkeiten von 40 Meilen pro Stunde erreichte. Das war schnellerer Wind, als Gertie es gewohnt war, aber eine Geschwindigkeit, für die sie, wie ihre Ingenieure dachten, ausgelegt war.

Und jetzt bewegte sie sich zum ersten Mal nicht mehr. Sie drehte sich. „Das hatte es noch nie zuvor gegeben“, sagte Farquharson laut einer Historie des Washington State Department of Transportation.

„Meine Knie waren wund und bluteten, meine Hände waren geschwollen und geschwollen, weil ich mich an den Betonbordstein klammerte.“

Eine halbe Stunde zuvor, gegen 9:30 Uhr, hatten die Behörden die Brücke für den Verkehr gesperrt, gerade als ein letztes Auto die Brücke überquerte. Leonard Coatsworth, Nachrichtenredakteur der Tacoma News Tribune, war auf dem Weg zum Sommerhaus seiner Familie auf der Halbinsel, mit Tubby, dem Cocker Spaniel seiner Tochter, auf dem Rücksitz.

Er merkte schnell, dass Gerties Sprungkraft viel größer war als sonst. Kurz nach der Mitte kippte sein Auto durch die Unebenheiten zur Seite. Er kletterte durch das Fenster hinaus und prallte sofort zuerst auf die Betonwand.

„Als ich zum ersten Mal aus dem Auto sprang, habe ich nicht an den Hund gedacht“, erzählte er anschließend. „Als ich mich erinnerte und zurückging, hüpfte die Brücke so heftig und zerbrach so schnell, dass es unmöglich war, das Tier zu erreichen.“

„Die meiste Zeit kroch ich auf Händen und Knien 500 Meter oder mehr zu den Türmen“, sagte er. „Mein Atem ging stoßweise; meine Knie waren wund und bluteten, meine Hände waren verletzt und geschwollen, weil ich den Betonbordstein festgehalten hatte.“

Es war ungefähr 10 Uhr morgens, als sich Gerties Bewegung plötzlich von der kräftigen Rollbewegung in die bizarre neue Drehbewegung änderte. Während sich Hunderte von Zuschauern und Autofahrern an beiden Ufern inmitten des Heulens des Windes und des Kreischens von Stahl versammelten, kamen Barney Elliott und Harbine Monroe, zwei Besitzer einer nahegelegenen Filmfirma, mit ihren brandneuen 16-mm-Kameras von Bell & Howell und mehreren Paketen neuer Kodachrome an Farbfilm und begann mit den Dreharbeiten. Monroe stand auf einer nahegelegenen Klippe; Elliott stand auf der Brücke neben Farquharson.

Durch die Verdrehung verschob sich die Stahlabdeckung dort, wo die Kabel in die Verankerung eingeführt wurden, und erzeugte ein metallisches, kreischendes Heulen. Ein Arbeiter pfiff wiederholt, um den sich nähernden Kutter der Küstenwache, Atlanta, zu warnen, der unter der Brücke hindurchfuhr. „Die schrillen Pfiffe vermischten sich mit dem Heulen böiger Winde und dem Knirschen und Kreischen von Metall und Beton“, schrieb ein Historiker des Washingtoner Verkehrsministeriums. „Die wilden Geräusche vermittelten den Zuschauern ein Gefühl der Angst und des drohenden Unheils.“

Gegen 10:30 Uhr fiel eine kleine Bodenplatte in der Mitte der Spannweite 195 Fuß tiefer ins Wasser. Farquharson schätzte später, dass jede Seite der Brücke inzwischen um 28 Fuß auf jeder Seite geneigt sei und einen Winkel von 30 Grad erreicht habe.

Und Tubby war immer noch draußen auf der kurvenreichen Strecke. Als der Wind nachließ, beschloss ein anderer Nachrichtenfotograf, Howard Clifford, dass er versuchen würde, den Hund zu retten. Aber er schaffte es nicht am Ostturm vorbei und kletterte zurück.

Und so beschloss Farquharson wenige Minuten vor 11 Uhr, nach fast einer Stunde Drehung, zuversichtlich, dass die Brücke halten würde, seinen eigenen Versuch zu wagen.

Er lief so nah wie möglich an der Mittellinie entlang, wo die Bewegung am geringsten war. Am Auto griff er nach Tubby, aber der verängstigte Hund, sagte er, schnappte nach ihm. Unter dem Jammern und Kreischen der Brücke gab er seinen Versuch auf und eilte zurück in Sicherheit, immer noch mit Krawatte und Trenchcoat sowie Stoppuhr und Pfeife in der Hand.

„Während ich zusah, wurden mindestens sechs Laternenpfähle abgebrochen“, sagte Farquharson. „Ein paar Minuten später sah ich, wie sich ein Seitenträger ausbeulte. „Ich dachte, sie würde dagegen ankämpfen.“ Aber das sollte nicht sein.

Gegen 11 Uhr schnappten die riesigen Stahlseile mit einem Geräusch wie Gewehrschüsse und flogen „wie Angelschnüre“ in die Luft, sagte Farquharson. Inmitten einer wachsenden Kakophonie aus Stahl und Beton begannen er, Elliott und Clifford, sich in Sicherheit zu bringen. Zwei Minuten später steigerte sich das Knacken und Heulen der Brücke zu einem gähnenden Grollen, und ein mechanischer Donner ertönte. Ein zentraler, 600 Fuß langer Abschnitt der Fahrbahn hatte sich gelöst und stürzte fast 200 Fuß ins Wasser. Ein mächtiger Geysir aus Schaum und Gischt schoss über 100 Fuß hoch und vermischte sich mit Wolken aus Betonstaub und Funken von kurzgeschlossenen Elektrokabeln. Die plötzliche Freisetzung von Beton löste eine riesige Welle aus, die sich über den Rest der Spannweite ergoss.

„Ich sah, wie die Hosenträger abbrachen und ein ganzer Teil einstürzte“, sagte Farquharson. Als er vom Ostturm zum Mautplatz rannte, bewegte sich die Brücke in einer riesigen Welle auf und ab, die Farquharson innerhalb von Sekunden etwa 30 Fuß tiefer zurückließ als dort, wo er gerade gewesen war. „Die Brücke ist unter mir weggefallen.“

„Es hüpfte“, sagte Clifford einem Interviewer in einem Dokumentarfilm aus dem Jahr 2007, „also ging ich unter, [und das Deck] kam wieder hoch. Es traf mich jedes Mal und warf mich um.“ In Elliots Aufnahmen von der Mautstelle ist Clifford zu sehen, wie er die Straße hinaufklettert, um sich in Sicherheit zu bringen, und sich umdreht, um nach Farquharson zu suchen, der plötzlich mit seinen Kameras in der Hand am Horizont auftaucht.

In den nächsten acht Minuten sahen die Menschen verwirrt und entsetzt zu, wie die gesamte Mittelspanne in den Wellen zerbrach. „Es schien, als würde die Welt auseinanderbrechen“, schrieb ein Reporter. Erstaunlicherweise kamen drei Autos durch den Zusammenbruch ums Leben, alle Insassen konnten jedoch entkommen – außer Tubby.

Eine der berühmtesten Brücken der Geschichte – und ihr spektakulärer Einsturz vor 75 Jahren in diesem Jahr – bedeutet nicht wirklich das, was wir normalerweise glauben.

Alles, was übrig blieb, waren zwei riesige Türme, ein Kabelsalat und ein Rätsel: Warum galoppierte Gertie – und warum galoppierte sie sich selbst in den Tod? „Ich bin völlig ratlos, den Einsturz zu erklären“, sagte der leitende Ingenieur der Brücke an diesem Abend gegenüber Associated Press.

Ein Artikel zwei Tage später in der New York Times mit dem Titel „Eine große Brücke fällt“ schien eine Erklärung zu bieten: „Wenn man aufeinanderfolgende Schläge richtig ausführt, schwingt das Pendel bald mit seiner maximalen Amplitude. So auch bei dieser Brücke. Das, was Physiker Resonanz nennen, war.“ gegründet."

Aber Gertie zu verstehen würde sich als schwieriger erweisen, als die Times vermutete. So heikel, dass vier Jahrzehnte nach der Beantwortung der zentralen Fragen durch Farquharson und seine Nachfolger die im Physikunterricht übliche Erklärung, Resonanz, ungenau ist. So knifflig, dass erst vor Kurzem irgendjemandem aufgefallen zu sein schien, dass einige der unheimlichen, unvergesslichen Aufnahmen des Einsturzes, die Generationen von Physiklehrern gezeigt haben, auch irreführend sind.

Aufnahmen von Gertie, wie er vor dem 7. November 1940 vertikal hüpfte, und ab ca. 30 Uhr Aufnahmen von seiner Drehung an dem Tag, an dem er zusammenbrach

Verdrehte Bedeutungen

Der Brückenbau beschäftigt die Menschheit schon seit langem, vermutlich schon seit dem 1. Jahrhundert. Das könnte erklären, warum Brücken, auch wenn sie nicht viele Menschen oder Dinge tragen können, besonders gut darin sind, eine Menge Bedeutung zu transportieren: brechen, brennen, zu weit gehen, nirgendwo hingehen; die Brücken zwischen Kulturen, über Generationen hinweg, die wir überqueren werden, wenn wir zu ihnen kommen. Die Bedeutung von Gerties Zusammenbruch und diesem unvergesslichen Filmmaterial – „zu den dramatischsten und bekanntesten Bildern in Wissenschaft und Technik“, schrieb ein Ingenieur – bleibt jedoch bis heute unklar.

Für Physiklehrer haben sich die Aufnahmen von Gertie als unwiderstehliche Lektion in Wellenbewegung erwiesen – und insbesondere als Lehrbuchbeispiel für die Kraft der erzwungenen Resonanz. Das Bild der wellenförmigen Brücke hinterließ bei zahlreichen Studenten (einschließlich mir) Spuren als Demonstration dessen, was eine kanonische Version des Films „Resonanzschwingungen“ nennt. Zahlreiche Bücher und Artikel, von der Encyclopedia Britannica bis hin zu einer Harvard-Kurs-Website, haben berichtet, dass die Tacoma Narrows durch Resonanz zerstört wurden.

Aber es stellt sich heraus, dass das nicht ganz richtig ist. Und doch, obwohl die Wissenschaft das seit Jahren weiß, haben offenbar viele Leute das Memo nicht verstanden.

Mir wurde klar, dass ich falsch lag, als ich im November in der Seattle Times einen Artikel veröffentlichte, in dem eine Studie über die Aufnahmen der Brücke zitiert wurde, die anlässlich des jüngsten 75. Jahrestags des Einsturzes veröffentlicht worden war. Wie im Times-Artikel über den Einsturz festgestellt wurde, entsteht Resonanz, wenn die Frequenz einer äußeren Kraft mit einer der Eigenfrequenzen einer angeregten Struktur übereinstimmt. Ein Weinglas, das beispielsweise durch die Schallwellen der Stimme eines Opernsängers in seiner eigenen Frequenz vibriert wird, absorbiert mehr Energie als gewöhnlich, bis es schließlich in Stücke vibriert.

Aufgrund einer Reihe von Verwirrungen und falschen Erinnerungen wurde dieses Phänomen zur vorherrschenden Erklärung für Gerties Scheitern. Während die Winde an diesem Tag über Puget Sound die Brücke zunächst in Schwingungen versetzten, wehten sie nicht mit einer Frequenz, die der der Brücke entsprach (die übrigens etwa 1 Hz betrug). Tatsächlich wehten sie auf die Art und Weise, wie Winde normalerweise wehen – unregelmäßig und mit einer ziemlich konstanten Geschwindigkeit (in diesem Fall etwa 40 Meilen pro Stunde).

Nach jahrzehntelanger Forschung haben sich Physiker auf eine spezifischere Erklärung konzentriert, die viel differenzierter ist als die Resonanztheorie. An diesem Morgen bewegte sich die Brücke wie seit Monaten im Wind, dank einer Reihe aerodynamischer Kräfte, die sich in periodischen Schwingungen über das Deck bewegten – jedoch nicht mit einer Resonanzfrequenz. Gegen 10 Uhr morgens führte diese überdurchschnittlich hohe Wellenbewegung zum Bruch eines Kabels, wodurch die Brücke schief geriet und außer Kontrolle geriet. Dies war der entscheidende Wendepunkt, und als eine neue Gruppe von Kräften begann, auf Gertie zu wirken – ihre eigenen.

Der Einsturz der Brücke war ihre eigene besondere Reaktion auf den Wind, ein Phänomen, das als Selbsterregung, aeroelastische Instabilität oder Flattern bekannt ist. Mit anderen Worten: Während Gertie von den durch den Wind verursachten Vibrationen beeinflusst wurde, erreichten diese Vibrationen keine Resonanzfrequenz. Als der Wind ihr Deck sowohl vertikal als auch in einer Drehbewegung zum Schwingen brachte, reagierte sie selbst auf diese Bewegung und brachte sie selbst zu Fall.

Das Geheimnis ihres Zusammenbruchs „ist kein Geheimnis“, schrieb Bernard Feldman, Physikprofessor an der University of Missouri, im Jahr 2006. „Das wahre Geheimnis besteht darin, warum die Physik-Community in all den Jahren seit 1950 nicht die richtige Erklärung gelehrt hat.“ " Allerdings fügte er mit einigem Optimismus hinzu: „Meine Erfahrung ist, dass Begeisterung und Interesse an Physik und Technik nicht nur durch das erzeugt werden, was verstanden wird, sondern auch durch das, was nicht verstanden wird.“

Ein elegantes, aber fehlerhaftes Design

Am Tag ihrer Eröffnung, am 1. Juni 1940, war Gertie gemessen an der Hauptspannweite (2.800 Fuß) die drittlängste Hängebrücke der Welt, hinter dem Golden Gate und der George Washington Brücke. Bei bemerkenswert niedrigen Kosten von 6,4 Millionen US-Dollar war die neunzehnmonatige Baumaßnahme der Wegbereiter für neue Brückenbauansätze, bei denen der Schwerpunkt auf Eleganz und Kosteneffizienz lag.

Eröffnungstag der Tacoma Narrows Bridge, Tacoma, Washington. Über Flickr/Digitale Sammlungen der University of Washington Libraries

Nach einer ersten Überprüfung des Budgets im Jahr 1938 hatte die Brückenbehörde darauf bestanden, den ursprünglichen Ingenieur der Brücke, Clark Eldridge, durch Leon Moisseiff zu ersetzen, den bekannten New Yorker Brückeningenieur, der als Designer und beratender Ingenieur für das Golden Gate gedient hatte und dies getan hatte Bekannt wurde er durch seine Arbeiten an fast allen großen Hängebrücken des Landes.

Moisseiffs Gnadenstoß bestand darin, Eldridges ursprünglich 25 Fuß tiefes, offenes Versteifungsfachwerk durch ein acht Fuß flaches Plattengitter zu ersetzen. Ein neues aerodynamisches Prinzip aus Österreich namens „Deflection Theory“ hatte diesen Ansatz theoretisch möglich gemacht. Es wurde festgestellt, dass die aerodynamischen Kräfte auf die Brücke diese nur zur Seite und nicht nach oben und unten drücken, sodass, so Moisseiff, keine steifere Struktur erforderlich war. Einige Ingenieure des Washington State Highway Department protestierten jedoch gegen die Designänderung und nannten sie „im Interesse der Wirtschaftlichkeit und Billigkeit grundlegend unhaltbar“.

Es gab aber auch andere, nicht-technische Argumente, die für Moisseiffs Entwurf sprachen. Die benötigte Stahlmenge wäre um Hunderte Tonnen geringer als bei bisherigen Verfahren, was große Kosteneinsparungen bedeuten würde. (Moisseiffs Vorschlag hatte einen Preis von weniger als 6 Millionen US-Dollar, fast die Hälfte von Eldridges 11-Millionen-Dollar-Ansatz.) Und Gerties langes, schlankes Terrassenband erfuhr damals einen modernistischen Wandel, weg von der robusten Klobigkeit von John Roeblings Brooklyn Bridge und hin zur Art-Déco-Ideale von Leichtigkeit, Anmut und Eleganz. Brücken müssen „sicher, bequem, wirtschaftlich in Kosten und Wartung“ sein, schrieb Moisseiff, „und gleichzeitig den Schönheitssinn des Durchschnittsmenschen unserer Zeit befriedigen.“

Tacoma Narrows Bridge Mautstelle. Bild: Washington State DOT

Um Moisseiff und seinen Ingenieuren gegenüber fair zu sein, muss man sagen, dass das Phänomen der aerodynamischen Instabilität damals nicht gut verstanden wurde. Aber es war auch nicht völlig unbekannt. Der letzte Einsturz einer Hängebrücke aufgrund ihrer Reaktion auf den Wind ereignete sich fünf Jahrzehnte zuvor, als die Niagara-Clifton-Brücke im Jahr 1889 einstürzte. (Die schwere Konstruktion der Brooklyn Bridge, die fünf Jahre zuvor, im Jahr 1883, eröffnet wurde, sollte dazu dienen Sie halten den Kräften stand, denen Hängebrücken in den vergangenen Jahrzehnten ausgesetzt waren.)

Nur vier Monate nach dem Einsturz von Galloping Gertie fasste JK Finch, Professor für Bauingenieurwesen an der Columbia University, in einem Artikel in Engineering News Record die Ausfälle von Hängebrücken zusammen. „Diese lange vergessenen Schwierigkeiten mit frühen Hängebrücken zeigen deutlich, dass die Drehungen der Tacoma-Brücke für moderne Ingenieure zwar etwas völlig Neues und Seltsames darstellten, sie aber nicht neu waren – sie waren einfach vergessen worden.“

In ihrem Bericht von 1941 über das Verhalten der Brücke und ihren Einsturz stellte ein von der Federal Works Administration ernanntes Ingenieurgremium fest, dass die Ursache des Einsturzes „zufällige Einwirkung turbulenter Winde“ sei. (Das Gremium lehnte es ab, irgendjemandem im Besonderen die Schuld an der fehlerhaften Konstruktion der Brücke zu geben; Moisseiff verstarb ein paar Jahre nach dem Einsturz einigermaßen beschämt, ohne bedeutendere Arbeiten gesehen zu haben.) Es würde ein weiteres Jahrzehnt dauern, bis Farquharson bahnbrechende Windkanaltests abschließen konnte Das bot ein reichhaltigeres, detaillierteres Porträt der Physik, die bei Gertie im Spiel war.

Zunächst verwies Farquharson auf das ungewöhnlich große Tiefen-Breiten-Verhältnis der Brücke von 1 zu 72 und ihren langen, schmalen und flachen versteifenden Stahlträger als Ursache für ihre extreme Flexibilität.

Zweitens bestätigte er, dass die Brücke anfällig für durch den Wind verursachte Instabilität gewesen sei und dass dies in bestimmten Fällen dazu führen könne, dass sie sich selbst erregt und auseinanderdreht.

Warum Gertie die Welle gemacht hat

Wenn der Wind mit einer bestimmten Geschwindigkeit auf bestimmte nicht aerodynamische Körper trifft, werfen diese Körper auf beiden Seiten Windwirbel ab. Im Kielwasser jedes Wirbels bildet sich entlang der anderen Körperseite ein kleiner Wirbel mit niedrigem Druck. Stellen Sie sich im GIF unten vor, dass der Wind von links mit der Breitseite gegen ein langes Objekt wie ein Kabel weht, hier im Querschnitt dargestellt:

Mit jedem Wirbel, der sich entlang der Seite des Brückendecks löste, folgte auf der anderen Seite ein Tiefdruckwirbel. Da Objekte auch dazu neigen, sich in Richtung einer Tiefdruckzone zu bewegen, geriet auch das Deck unter den Einfluss der Wirbel. Mit jedem Windwirbel und jedem nachfolgenden Wirbel geriet die Brücke unter „Auftriebs-“ und „Zug“-Kräfte, die dazu führten, dass sie auf und ab hüpfte.

Diese Art von Schwingung war das Ergebnis eines Phänomens, das als Karman-Wirbelstraßeneffekt bekannt ist. Sie können dies beobachten, wenn bei starkem Wind quer über die Straße gespannte Ampeln senkrecht zur Windrichtung schwingen, und Sie können es manchmal hören, wenn Telefonleitungen im Wind singen.

Sie können die Wirbelablösung auch bei der Bewegung eines Blattes Papier beobachten, wenn es auf den Boden fällt: Jede Bewegung des Papiers stellt einen Wirbel dar, der sich ablöst.

Als die Brücke auf und ab hüpfte, wie es monatelang und früher am Morgen des 7. November der Fall war, wird angenommen, dass die Wirbelstraße eine erzwungene harmonische Bewegung auf der Brücke verursachte. Beobachtungen und Berechnungen von Farquharson über die Windgeschwindigkeit und die Bewegung der Brücke, bevor sie sich zu verdrehen begann, kamen jedoch zu dem Schluss, dass sich die Wirbel nicht mit der Resonanzfrequenz der Brücke lösten, als die Brücke sich dem Einsturz näherte.

Warum Gertie zusammenbrach

Nachdem Farquharson und seine Schüler 1940 damit beauftragt worden waren, Gertie zu zähmen, bauten sie schnell zwei maßstabsgetreue Modelle der Brücke zusammen, um sie in Windkanälen zu testen. Es hüpfte nicht nur, sondern sie bemerkten auch, dass es bei stärkeren Windgeschwindigkeiten gelegentlich dazu neigte, sich zu verdrehen. „Wir haben es beobachtet“, sagte der Professor später gegenüber Reportern, „und wir sagten, dass es das Ende der Brücke bedeuten würde, wenn es jemals zu einer solchen Bewegung auf der echten Brücke kommen würde.“

Einige Monate nach der Eröffnung installierten Ingenieure Dämpfer, große Stoßdämpfer, die oft in Brücken und hohen Gebäuden verwendet werden, um die Wellen abzuleiten, aber diese erwiesen sich nicht als wirksam genug, um die Wellen zu stoppen. Anfang November, nur fünf Tage bevor Gertie zusammenbrach, hatte Farquharson einen Vorschlag vorgelegt, der versprach, den Aufprall ein für alle Mal zu unterdrücken: den Wind besser um die Brücke herum zu leiten, indem Löcher in die Seiten geschnitten wurden, oder Deflektoren anzubringen, um die Brücke stabiler zu machen aerodynamisch. Man entschied sich für die zweite Option und bereitete ihre Installation vor.

Eine Karikatur aus der Seattle Times, 8. November 1940. Über University of Washington Libraries

Der Wind am 7. November 1940 war möglicherweise der stärkste Wind, den die Brücke je erlebt hatte, und er kam zu einem entscheidenden Zeitpunkt: Berichten zufolge war die Verstrebung unter dem Deck wahrscheinlich einige Tage zuvor während eines Mitternachtssturms geschwächt worden.

Kurz nach 10 Uhr morgens, als die Wellen der Brücke neue Höhen erreichten und jede Seite der Hängekabel der Brücke abwechselnd gespannt und schlaff war, brach eines dieser Kabel in zwei Stücke unterschiedlicher Länge. Dadurch entstand sofort ein Ungleichgewicht. Während das Deck früher wie eine Achterbahn eine „galoppierende“ Auf- und Abbewegung gezeigt hatte, war es jetzt schief und konnte sich entlang seiner Mittelachse verdrehen, was es auch zu tun begann. Da es bei dieser Drehbewegung mit dem Wind interagierte – und mit der Schwerkraft, mit den Kabeln und mit seinen beiden festen Enden – dämpfte seine Drehbewegung die Wirkung des Windes nicht, während er die Brücke weiter anstieß: Die Drehung verstärkte sie .

Jedes Mal, wenn sich die Brücke drehte, drehte sie sich ein wenig mehr, nicht weniger, zurück in die andere Richtung, in einem stetigen Aufbau von Drehenergie, die durch den Wind verstärkt wurde. Nach ungefähr einer Stunde zerbrach es schließlich.

Gerties mechanischer Selbstmord war das Ergebnis einer Rückkopplung – einer Struktur, die in eine selbsterhaltende Schwingung gerät, während sie auf die stetige Kraft des Windes reagiert und dabei mehr Energie absorbiert, als sie abbauen kann. Es wird auch als aerodynamisch induzierte Selbsterregung oder einfach als Flattern bezeichnet.

Ich kann nicht glauben, dass es kein Flattern ist

„Sie werden es schwierig finden, es zu erklären!“ Donald Olson, ein Physikprofessor an der Texas State University, warnte mich. Er ist Co-Autor einer neuen Studie über den Einsturz und einige Probleme mit dem Filmmaterial, das ihn festhielt (mehr dazu folgt). Während er sagte, dass neunundneunzig Prozent der Physiker, die seine Studie lasen, die Tacoma-Narrows-Brücke als Resonanz gelehrt hätten, „haben spätere Autoren die Resonanzerklärung abgelehnt, und ihre Sichtweise breitet sich allmählich auf die Physikgemeinschaft aus.“

Laut der umfassendsten aktuellen Forschung, schreiben er und seine Co-Autoren, „hing das Versagen der Brücke mit einer windgetriebenen Verstärkung der Torsionsschwingung zusammen, die im Gegensatz zu einer Resonanz mit zunehmender Windgeschwindigkeit monoton zunimmt.“

Um zu erklären, wie das passiert ist, muss man etwas auspacken (aufdrehen?). aber ich glaube nicht, dass es so schwer zu verstehen ist.

Eine Animation einer Hängebrücke, die aeroelastischem Flattern ausgesetzt ist. Im Fall von Tacoma Narrows gab es genau in der Mitte der Mittelspannweite einen Knoten (keine Verdrehung).

Die Tacoma Narrows bewegten sich bereits unter der Kraft des Windes und der daraus resultierenden Wirbel, die er ablöste. Als die Kabel rissen, war diese rhythmische Auf- und Abbewegung plötzlich torsional; Die Rollbewegung verwandelte sich in eine Drehbewegung.

Farquharson beobachtete, dass die Spanne in acht oder neun Segmenten mit einer Frequenz von 36 Schwingungen pro Minute und einer Amplitude von etwa 3 Fuß vibrierte. Plötzlich begann es sich auch zu drehen, und zwar mit solch extremer Heftigkeit, dass, wie ein Beobachter schrieb, „das Deck scheinbar völlig umkippte“.

Die neue Torsionsschwingung erfolgte in zwei Segmenten mit einer Frequenz von 14 Schwingungen pro Minute. Schließlich änderte sich die Torsionsfrequenz auf 12 Schwingungen pro Minute, wobei die Amplitude der Torsionsschwingung etwa 35° in jede Richtung von der Horizontalen erreichte.

Die Brücke reagierte auf jede Drehung mit einer etwas größeren Drehung, die vom Wind und von neuen, größeren Wirbeln, die sich von ihren Kanten lösten, hin- und hergeschüttelt wurde – wodurch die Brücke nicht nur in Torsion, sondern auch in vertikaler Richtung vibrierte. All diese Bewegungen trugen dazu bei, dass die Brücke bei jeder Drehung ein wenig weiter nach vorne schob.

Während die früheren Wirbel – die von Karman-Wirbelstraße – möglicherweise zu den anfänglichen Schwingungen geführt haben, war die neue Bewegung der Brücke selbstinduziert, und ihre neuen Wirbel waren das Ergebnis von Flatterschleppen. (Wenn die Wirbelstraße in Kraft gewesen wäre, hätte die Brücke Wirbel mit etwa 1 Hertz oder einem Wirbel pro Sekunde abgeworfen, aber das ist nicht synchron mit den Torsionsschwingungen von 0,2 Hertz, die Farquarson beobachtete, als sich die Brücke drehte.)

Jedes Mal, wenn sich das Brückendeck verdrehte, versuchte es, in seine ursprüngliche Position zurückzukehren (Trägheitskräfte). Und während es sich mit der entsprechenden Geschwindigkeit und Richtung zurückdrehte (elastische Kräfte), wurde es jedes Mal vom Wind und den Wirbeln erfasst und drückte das Deck noch ein wenig mehr in diese Richtung (aerodynamische Kräfte). Mit jeder Drehung und jeder Rückdrehung nahm die Größe der Drehung leicht zu.

Und als sich das Deck in seiner neuen Drehbewegung immer höher beugte, löste es an seinen Seiten noch stärkere Windwirbel aus, die größere Wirbel ablösten, was noch mehr zur Instabilität des Decks beitrug. Eine weitere Simulation dieses Effekts können Sie in diesem Video sehen:

Drei Kräfte – Trägheit, Elastizität und Aerodynamik – wirkten nun koordiniert auf die Brücke. Während früher die Kraft des Windes und der Wirbel die Brücke zum „Galoppieren“ brachte, ließen diese Kräfte mit der Zeit nach. Nachdem Gertie durch seine neue Fähigkeit, sich zu verdrehen, ins Flattern gedrängt worden war, wurde sie nicht mehr wesentlich von der Aerodynamik beeinflusst, sondern stand weitgehend unter dem Einfluss ihrer eigenen Kräfte und befand sich in einer Abwärtsspirale.

Die Verdrehung führte zu einer weiteren Verdrehung, dann zu einer immer stärkeren Verdrehung und so weiter, und zwar auf rasante, exponentielle Weise, bis die Brücke schließlich ihre Energie nicht mehr schnell genug abbauen konnte. Der Rest der Tragseile versagte, das Deck konnte nicht halten und „Galloping Gertie“ wurde auf Puget Sound losgelassen.

Der Fotograf Howard Clifford rennt während des Einsturzes von der Tacoma Narrows Bridge. Über die Tacoma Narrows Bridge Collection der University of Washington

Wenn Resonanz ein Weinglas ist, das von der Stimme eines Opernsängers zerschmettert wird, ähnelt Selbsterregung eher dem Kreischen eines Lautsprechers, der sich zu nahe am eigenen Mikrofon befindet

Die Erklärung für Flattern/Selbsterregung wurde von Robert Scanlan entwickelt, einem Ingenieurprofessor an der Johns Hopkins University, der 1991 gemeinsam mit K. Yusuf Bilah aus Princeton einen kanonischen Artikel über das Ereignis verfasste. Ihre Ergebnisse wurden durch die Forschung von Daniel Green und William Unruh von der University of British Columbia in einer Arbeit aus dem Jahr 2004 untermauert. Doch bis heute bleibt die Erklärung, warum der Wind die Brücke überhaupt zum Galoppieren brachte, ein Diskussionsthema. „Die detaillierte Methode, mit der das Schwingungsverhalten ermittelt wird“, schreiben sie, „bedarf möglicherweise weiterer Details.“

Ein positiver Feedback-Effekt (mit negativen Auswirkungen)

Wenn es sich bei Resonanz um ein Weinglas handelt, das von der Stimme eines Opernsängers zerschmettert wird, während es mit der Eigenfrequenz des Glases vibriert, ähnelt Selbsterregung oder Flattern eher einem Verstärker, der kreischt, wenn er seinem eigenen Mikrofon zu nahe kommt. Dieser Rückkopplungseffekt wird in der Rockmusik ständig mit großem und seltsamem Effekt genutzt, aber je näher man ein Live-Mikrofon an seinen Lautsprecher bringt – desto lauter ist der Ton, der in das System eingespeist und wieder ausgegeben und wieder eingespeist wird und so weiter – desto näher kommen Sie dem Durchblasen des Lautsprechers (und möglicherweise der Trommelfelle in der Nähe). Ähnlich verhielt sich die Brücke an diesem Morgen. Es steckte in seiner eigenen Schleife der Selbstinteraktion fest und speiste seine eigene Energie in sich selbst zurück, bis es auseinanderfiel.

Der Effekt des Flatterns ist auch bei Instrumenten mit Dauerton zu hören. Wenn eine Geigerin einen Bogen gleichmäßig über eine Geigensaite spannt, speist die Energie ihrer Muskeln und des Bogens die Geigensaite. Die Schwingungsfrequenz der Saite wird durch ihre eigene Masse, Länge und Spannung sowie durch die Hin- und Herschwingung mit dem Bogen beeinflusst; Der entscheidende Punkt ist, dass bei schnellerer Bewegung des Bogens die Reibung zwischen ihm und der Geigensaite geringer und nicht größer ist und die Schwingungen der Saite exponentiell zunehmen. (Zu verstehen, wie sich Geigen entwickelten – das heißt, wie Menschen die physikalischen Prinzipien verstanden, die auf einer Geige wirken – ist Gegenstand eines aktuellen Forschungsprojekts am MIT, das von der US Navy finanziert wurde.)

An einem Flugzeugflügel kann es zu Selbsterregung kommen, wenn der Wind dazu führt, dass der Rhythmus zweier Strukturbewegungen – Biegen und Verdrehen – so gekoppelt wird, dass sie sich gegenseitig verstärken. Piloten bezeichnen das daraus resultierende Brummen als „Summen“, und es ist weniger ärgerlich als beängstigend: Ein Flügel, der voll flattert, bricht auseinander. Während Luft- und Raumfahrtingenieure Jahrzehnte damit verbracht haben, Balancer, Dämpfer und andere Systeme zur Verhinderung von Flattern zu entwickeln, müssen alle zertifizierten Flugzeuge darauf getestet werden. Das Problem besteht jedoch weiterhin, insbesondere bei Prototypen und selbstgebauten Flugzeugen.

Bei einer Flugshow im Jahr 1997 begann ein loses Elevon an der Hinterkante des Flügels eines F-117-Kampfflugzeugs der US-Luftwaffe zu vibrieren, was eine Flatteranregung über den Rest des Flügels und den Rest des Tarnflugzeugs auslöste, bis das Vibrationen brachten das Flugzeug auseinander.

Ein F-117-Jäger zerbricht während einer Flugshow. Später stellte sich heraus, dass die Ursache Flattern war

Allerdings unterscheidet sich das Flattern auf Flugzeugtragflächen aus aerodynamischer Sicht deutlich vom Flattern auf Brücken. Flügel erfahren viel höhere Luftgeschwindigkeiten als Brücken, und ihr Flatterverhalten entsteht durch die Reaktion des Flügels auf die auf ihn einwirkenden aerodynamischen Kräfte. Bei Brücken wie Gertie, die relativ langsameren Windgeschwindigkeiten und langsameren Wirbelschleppen ausgesetzt sind, sind aerodynamische Kräfte kein treibender Faktor für das Flattern der Brücke. Während diese Kräfte die Brücke anstoßen können, wodurch es für sie noch schwieriger wird, ihre Vibrationen zu dämpfen, verblassen diese aerodynamischen Kräfte im Vergleich zu den Kräften der Brücke, wenn sie sich biegt und dreht. Der Flattereffekt auf Gertie, der zur Katastrophe führte, hielt etwa 45 Minuten an; Ein Flügel kann sich in Sekundenschnelle auseinanderschütteln.

Aber so wie Feedback in der Musik nützlich sein kann, ist Flattern nicht immer destruktiv. Der Erfinder Shawn Frayne hat versucht, daraus Energie zu gewinnen. Sein 2007 erstmals vorgestellter Windbelt nutzt die Prinzipien des Flatterns und der negativen Dämpfung, um bei starkem Wind Strom zu erzeugen. Die Schlüsselkomponente ist eine gespannte Membran, die zum Flattern bestimmt ist. „Diese Schwingung bewegt eine Reihe von Permanentmagneten, die sich an einem der Enden der Membran selbst befinden“, sagte Frayne gegenüber Physics.org, und die Bewegung dieser Magnete zwischen zwei Kupferspulen induziert einen elektrischen Strom.

Wenn Resonanz angreift (und nicht)

Während bei einer quantitativen Definition von Resonanz eine externe Energiequelle die Vibration verursacht, wird Flattern im Gegensatz dazu als eine Art Instabilität in der Struktur selbst betrachtet, ein Fehler, der aus der freien Reaktion der Struktur resultiert, wenn sie Luftströmungen ausgesetzt wird. „Aeroelastisches Flattern ist nicht speziell eine Resonanz, da der Input keine periodische Kraft ist, sondern vielmehr eine gleichmäßige relative Geschwindigkeit von Luft und einem Objekt“, erklärt Mark Barton, Physiker am National Astronomical Observatory of Japan bei Quora.

Dennoch ist Resonanz für Menschen, die Brücken, Gebäude, Flugzeuge und alles, was erschüttert, bauen, kein geringes Problem. Wenn die Stimme eines Opernsängers mit ihrer Eigenfrequenz auf eine Glasscheibe trifft, hören wir die Auswirkungen dieser Resonanzschwingung nicht nur, sondern sehen sie letztlich auch: Das Glas zerbricht.

Das Glas weist eine Eigenschaft auf, die jedem beweglichen System eigen ist: Es absorbiert die Energie der oszillierenden Stimme des Sängers. Dies wird als erzwungene harmonische Schwingung bezeichnet. Aber wenn die Frequenz dieser Schwingungen mit der natürlichen Schwingungsfrequenz des Glases – seiner Resonanzfrequenz – übereinstimmt, absorbiert es deutlich mehr Energie als gewöhnlich. Wenn es nichts mehr aufnehmen kann, kollabiert es.

Auf bestimmten Brücken können Schwingungen durch die periodische Kraft der sich darüber bewegenden Personen verursacht werden. Im April 1850 überquerte ein Bataillon französischer Soldaten die Angers-Brücke, als diese einstürzte und über 200 von ihnen tötete. Schuld daran, so die Theorie, war der Gleichschrittmarsch der Soldaten, der eine ausreichende periodische Kraft erzeugte, die der der Brücke entsprach. Seitdem ist es für Soldaten üblich, beim Überqueren von Brücken den Schritt zu unterbrechen.

Am Eröffnungstag im Jahr 2000 spürte die Londoner Millennium Bridge die Resonanzwirkung der Fußgänger, die im Takt ihrer eigenen Schwankungen schwankten

Etwas Ähnliches geschah am 12. Juni 2000, dem Eröffnungstag der Londoner Millennium Bridge. Als eine Menge Fußgänger die kurze Spannweite der Stahlaufhängung überquerten, erzeugten sie eine andere Art von Schwingung: nicht auf und ab, sondern seitwärts. Laut einer Studie von Steven Strogatz, einem Mathematikprofessor an der Cornell University, bewegte sich die Brücke im Gleichschritt mit der leichten seitlichen Bewegung aller Menschen, die die Brücke überquerten und beim Gehen versehentlich schwankten. Als die Brücke aufgrund des Windes leicht in eine Richtung zu schwanken begann, lehnten sich die Fußgänger natürlich leicht in die andere Richtung, um das Gleichgewicht zu halten, und zwar genau zur gleichen Zeit, ähnlich wie Soldaten, die sich im Gleichschritt bewegten. Schließlich verstärkten ihre Schwankungen die Bewegung der Brücke, während sie schwankte. Die Beamten ordneten schnell die Schließung der Brücke an, und so blieb sie zwei Jahre lang, bis Stabilisatoren und Dämpfer hinzugefügt werden konnten, was 5 Millionen Pfund kostete. Dennoch blieb der Spitzname „Die wackelige Brücke“ hängen.

Am 21. Mai 2010 wurde in einem Heimvideo die fast drei Kilometer lange Wolgograd-Brücke festgehalten, die über der russischen Wolga schwankt. Die Behörden schlossen die Brücke und installierten später im selben Jahr abgestimmte Massendämpfer, um künftige Schwingungen zu verhindern. Kurz darauf spekulierten Beamte, dass starke Flussströmungen, die durch die Schneeschmelze flussaufwärts verursacht wurden, eine der vertikalen Stützen der Brücke gelockert hatten. Physiker vermuten, dass der wahrscheinlichste Schuldige die Art von aeroelastischen Kräften waren, die dazu geführt hatten, dass Gertie in einem Sturm galoppierte – aber nicht zusammenbrach.

Um sogenannte „Resonanzkatastrophen“ zu vermeiden, müssen Ingenieure von Maschinen mit Motoren darauf achten, dass die Frequenzen der Einzelteile nicht miteinander übereinstimmen. Wie Brücken, Gebäude und Züge sowie andere große Spannweiten werden Stoßdämpfer verwendet, um Resonanzfrequenzen zu absorbieren und die absorbierte Energie abzuleiten. In Gebäuden wie Taipei 101, das sich in einer seismisch aktiven Zone befindet, ist ein 660 Tonnen schweres Pendel – ein abgestimmter Massendämpfer – so konzipiert, dass es die Auswirkungen von Resonanzfrequenzen absorbiert.

Im Jahr 2011 musste ein 39-stöckiges Gebäude in Seoul evakuiert werden, nachdem es etwa zehn Minuten lang von vertikalen Erschütterungen heftig erschüttert wurde. Das verwirrte zunächst die Ingenieure. „Um Erdbeben und Stürme zu eliminieren“, schrieb Kurt Poropatich von Motherboard, „war der Übeltäter, auf dem sie landeten, gelinde gesagt bizarr: ein Aerobic-Kurs mit 23 Leuten auf einer mittleren Etage. Ihr Tae-Bo-Training war an diesem Tag offenbar doppelt so intensiv, indem sie ihre ausgefallene Beinarbeit mit der strukturellen Resonanz des Gebäudes in Einklang bringen.“

Bei der Beschreibung anderer Resonanzbeispiele wiederholte der Motherboard-Artikel den Trugschluss, dass Galloping Gertie durch Resonanzfrequenzen zerstört wurde. Es wurde eine Korrektur herausgegeben. Aber es gibt möglicherweise Tausende anderer unkorrigierter Artikel und Bücher, darunter einige aus sehr großen und scheinbar seriösen Quellen, darunter Encylopedia Britannica und die Mathematikabteilung der Harvard-Universität.

Aber selbst in den Jahren nach dem Zusammenbruch stellte der Bericht der Federal Works Agency Commission über die anschließende Untersuchung fest, dass dies der Fall ist

Es ist sehr unwahrscheinlich, dass die Resonanz mit Wechselwirbeln eine wichtige Rolle bei den Schwingungen von Hängebrücken spielt. Es wurde festgestellt, dass es keinen scharfen Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Schwingungsfrequenz gibt, wie er bei Resonanz mit Wirbeln erforderlich ist, deren Frequenz von der Windgeschwindigkeit abhängt.

Wenn man sich das bearbeitete Filmmaterial anschaut, könnte man meinen, dass Gertie durch die Resonanz zu Fall gebracht wurde, angesichts der lebendigen visuellen Beweise einer Brücke, die sich bewegt, bevor sie einstürzt, nicht unähnlich dem Weinglas, das unter den Vibrationen der Stimme eines Sängers zerbricht. Tatsächlich ist Resonanz ein ähnliches Phänomen wie Flattern, insofern als sie die „Verstärkung“ bestehender Schwingungen mit sich bringt und zu einer dramatischen und möglicherweise zerstörerischen Verstärkung der Energie führen kann.

Bilah und Scanlan schreiben, dass das auf die Brücke wirkende Phänomen „der qualitativen Definition von Resonanz nicht zu widersprechen scheint … wenn wir nun die Quelle der periodischen Impulse als selbstinduziert [und nicht als extern] identifizieren, den Wind, der die Energie liefert, und …“ die Bewegung, die den Kraftabgriffsmechanismus liefert.“ Der Schlüsselbegriff dort ist selbstinduziert. So wird erzwungene Resonanz normalerweise nicht beschrieben (die Abstimmung der Schwingungen einer äußeren Kraft mit denen eines anderen Objekts) oder was impliziert wird, wenn Menschen nur die Kraft des Windes für den Einsturz der Brücke verantwortlich machen.

Aber die Resonanzerklärung hat sich durchgesetzt, dank wiederholter Fehler von Physiklehrern, Schulbuchautoren und Wissenschaftsjournalisten und untermauert durch die Zweckmäßigkeit der Videobeweise. Die Ingenieure der Brücke hatten viele Lehren aus den Anfängen der Hängebrücken vergessen. Irgendwie erinnerten sich Medien, Lehrer und Wissenschaftler falsch an die neuen Lektionen.

Wie wir es verdreht haben

Wie konnte die falsche Erklärung so lange bestehen bleiben? In ihrem Artikel über das Ereignis zitieren Bilah und Scanlan 30 Quellen, die Resonanz als Ursache für das Versagen der Brücke erwähnen. Letztendlich verweisen sie auf eine Mischung aus groben, halbempirischen Vermutungen und dem „Telefon“-Effekt. „Der Hauptgrund für all das liegt unserer Meinung nach darin, dass viele Post-Facto-Berichte oder Untersuchungen spekulativ oder Überprüfungen noch anderer Berichte waren“, schreiben sie.

Es ist leicht zu verstehen, warum: Die damit verbundene Mathematik und Physik kann kompliziert erscheinen. Und das unvergessliche Bild – eine Brücke, die große periodische Bewegungen durchführt, während eine äußere Kraft Energie auf sie ausübt, bis sie einstürzt – ist für Physiklehrer und Schulbuchautoren ein unwiderstehliches wissenschaftliches Beispiel, eine atemberaubende Möglichkeit, die Kinder hinten aufzuwecken des Klassenzimmers.

„Obwohl es verständlich ist, dass so viele Lehrbücher im Laufe der Jahre die Physik zu stark vereinfacht haben“, schrieben Bilah und Scanlan, „ist es wahrscheinlich an der Zeit, der nächsten Generation von Schülern subtilere, komplexere und korrektere Erklärungen anzubieten.“ Das war im Jahr 1991.

Eine frühe Behauptung, dass die Resonanz dafür verantwortlich sei, tauchte zwei Tage nach dem Zusammenbruch in der New York Times auf. (Resonance wurde von der Times seit dieser Geschichte von 1940 dreimal als Schuldiger am Einsturz von Tacoma Narrows genannt.) Aber seltsamerweise enthielt eine am Vortag auf Seite 1 veröffentlichte Geschichte einen genaueren Bericht über den Einsturz, der nichts damit zu tun hatte Resonanz. CE Andrews, einer der Ingenieure der Brücke, zeigte auf die geschlossenen Versteifungsbinder an den Seiten des Brückendecks. Der Wind, der sie traf, „führte dazu, dass die Brücke im Wind flatterte, mehr oder weniger wie ein Blatt. Dadurch entstand eine Vibration, die sich bis zum Versagen aufbaute.“

In den Mainstream- und Wissenschaftsmedien wurde diese Idee jedoch von der Resonanz übertönt. Die von David Halliday und Robert Resnick in den frühen 1960er Jahren verfassten Lehrbücher enthielten in ihrem Abschnitt über Resonanz Fotografien der Tacoma Narrows Bridge und kamen zu dem Schluss, dass „der Wind eine schwankende resultierende Kraft in Resonanz mit einer Eigenfrequenz der Struktur erzeugte“. Bilah und Scanlan geben Lee Edson in seiner Biographie von Harman von Karman aus dem Jahr 1963, dem Aerodynamiktheoretiker, nach dem die Wirbelstraße benannt ist und der der Kommission angehörte, die den Brückeneinsturz untersuchte, die besondere Schuld. „Der Schuldige an der Tacoma-Katastrophe war der Karman-Wirbel Street“, schrieb Edson nicht ganz korrekt.

Die Professoren vermuten, dass Edson die Wirbel, die die frühere Rollbewegung auslösten, mit denen verwechselte, die sich zu bilden begannen, als sich die Brücke immer höher drehte: „Wir sehen die Flatterwirbelspur als Folge und nicht als primäre Ursache.“

In dieser ursprünglich von Franklin Miller veröffentlichten Version des Bridge-Films beschreibt die erste Bildunterschrift fälschlicherweise dessen „Resonanzschwingung“.

Unterdessen zeigt die American Association of Physics Teachers in einem Bericht aus dem Jahr 1998, der einer Lehrvideodisc beigefügt war, mit dem Finger auf Franklin Miller, der das erste und berühmteste Filmmaterial des Einsturzes veröffentlicht und zur Verwendung in Klassenzimmern im ganzen Land verbreitet hat. Der Begriff „Resonanzvibration“, so die AAPT, wurde „tatsächlich fälschlicherweise in einer der Bildunterschriften des 1962 erstmals bearbeiteten Films verwendet.“

Nicht so schnell

Im Papier der AAPT steckt eine entscheidende Ironie. Die Autoren haben nicht bemerkt, dass das auf der beigefügten DVD enthaltene Filmmaterial selbst fehlerhaft ist.

Während Monroe mit 24 Bildern pro Sekunde schoss, hatte Elliot seine Kamera auf 16 Bilder pro Sekunde umgestellt, möglicherweise um den Film zu schonen. Laut einer letzten Monat in Physics Today von Donald Olson und Kollegen von der Texas State University und der East Carolina University veröffentlichten Studie wurden die Filme in frühe Filmrollen für Klassenzimmer umgewandelt, als ob sie beide mit 24 Bildern pro Sekunde liefen. Dies führte zu zwei harmlosen, aber entscheidenden Konvertierungsfehlern, die seitdem auf der DVD der AAPT und auf anderen Filmrollen, Videobändern und Websites verewigt wurden.

Der vom Ufer aus aufgenommene Film ist einigermaßen genau und zeigt das langsame Schwanken und Drehen der Brücke und schließlich den Einsturz. Aber in vielen Versionen lässt das Filmmaterial, das Elliot auf der Brücke aufgenommen hat, die Bewegung etwa 40 Prozent schneller erscheinen, als sie tatsächlich war. (Auf dem Filmmaterial scheinen die Schwingungen der Brücke etwa 18 Zyklen pro Minute zu betragen, aber Farquharsons eigene Stoppuhr maß an diesem Tag eine Torsionsfrequenz von 12 Zyklen pro Minute.)

Um 2:00 Uhr erscheinen die Aufnahmen der Brücke beschleunigt

Der erste Konvertierungsfehler ereignete sich in den frühen 1960er Jahren, als der Film für die Verwendung durch Franklin Miller in einer Reihe von Filmloops im Physikunterricht konvertiert wurde, die mit 18 fps in 8-mm-Projektoren abgespielt wurden. Der zweite Fehler ereignete sich 1982, als drei Wissenschaftler Millers Schleifen nutzten, um die Videodisc „The Puzzle of the Tacoma Narrows Bridge Collapse“ der AAPT zu produzieren, die Millers Film, zusätzliches Archivfilmmaterial und interaktives Material enthält.

Aufgrund der damaligen Konventionen für US-amerikanische und andere Fernsehsignale lief das Format mit 30 fps. „Die Techniker, die die Umstellung von Film auf Videodisc durchführten, gingen davon aus, dass alle 16-mm-Kameras mit 24 Bildern pro Sekunde liefen, und sie wussten, dass Videodisc-Player mit 30 Bildern pro Sekunde arbeiten würden“, schreibt Olson.

Das Monroe-Filmmaterial:

Das Elliott-Filmmaterial in normaler Geschwindigkeit:

Das Elliott-Filmmaterial wurde beschleunigt:

Das Elliott-Filmmaterial wurde noch schneller:

Bei der Untersuchung jedes Einzelbilds der Videosequenzen stellten er und seine Kollegen fest, dass die Techniker den Sprung von 24 auf 30 Bilder pro Sekunde schafften, indem sie alle 4 Einzelbilder in 5 Einzelbilder „dehnen“ – mit einer Technik namens Telecine, die darauf abzielt, das konvertierte Video sichtbar zu machen natürlich und mit normaler Geschwindigkeit. Später bestätigten sie diese Theorie mit einem der Produzenten des Videos. Als Ergebnis schreiben sie: „Zuschauer moderner Videoformate sehen die Torsionsschwingungen deutlich beschleunigt (18 Zyklen pro Minute) im Vergleich zu … den majestätischeren und niederfrequenteren Schwingungen (12 Zyklen pro Minute), die Augenzeugen im November gemessen haben.“ 7. 1940.“

Die überzeugenden Videobeweise stimmen meiner Meinung nach mit einer unserer besonderen Tendenzen überein: das, was wir sehen, entsprechend dem zu interpretieren, was wir zu sehen erwarten. Dieses Phänomen, das manchmal als „Beobachtereffekt“ bezeichnet wird, ist unter Wissenschaftlern so gefürchtet, dass verschiedene Methoden entwickelt wurden, um es zu verhindern. Und doch bleibt es bestehen und beeinflusst Experimente und alles andere.

Scheitert

Nach dem Einsturz versprachen die Behörden, die Brücke sofort wieder aufzubauen. Doch die Kriegsanstrengungen änderten alles: Die Seitenbrücken der Brücke wurden eingeschmolzen und zu Stahl verarbeitet, einem wertvollen Gut für die Militärmaschinerie des Landes. Die Überreste des einst welligen Decks blieben unter den Wellen des Puget Sound zurück und bilden dort heute ein riesiges künstliches Riff. Im Jahr 1992 wurde „Galloping Gertie“ in das National Register of Historic Places aufgenommen, teils um Aasfresser abzuschrecken, teils um an ein Ereignis zu erinnern, an das man sich falsch erinnert, wenn nicht gar vergessen hat. „Wie es in weiten Teilen der Menschheitsgeschichte üblich ist“, heißt es im Registrierungsformular, „lernen wir oft mehr aus unseren Fehlern als aus unseren Erfolgen.“

Im Allgemeinen bedeutet Gerties Scheitern für Wissenschaftler und Ingenieure einen Fortschritt. Und wenn man die anderen Misserfolge versteht – wie viele es so lange versäumten, genau zu beschreiben oder darzustellen, warum sie zusammenbrach –, liefert das noch weitere Lektionen. „In der Wissenschaft ist Revision ein Sieg“, sagt Stuart Firestein, Professor für Biologie an der Columbia University und Autor eines neuen Buches über diese interintuitive Idee, Failure. „Wir überarbeiten ständig.“

Wenn man sich das Filmmaterial ansieht, stellt sich heraus, dass man kaum erkennen kann, was wirklich vor sich geht. Und es wird noch schwieriger, wenn einem – vielleicht entgegen der eigenen Intuition – gesagt wird, dass die Resonanz dafür verantwortlich sei. Vibrationen haben dazu beigetragen, die Brücke auseinanderzubrechen, das ist klar. Wenn man jedoch nicht genau weiß, wie diese Schwingungen entstanden sind, oder wenn man nachlässig ist, wie sie im Film dargestellt werden, kann dies leicht zu Ungenauigkeiten und Fehldarstellungen sowie zum Verlust wichtiger Details führen, so winzig sie auch sein mögen.

Aber die Ingenieure, die den Einsturz untersuchten, ließen sich weder davon beeinflussen, wie der Einsturz aussah, noch von dem, was sie hörten. Schließlich testeten sie ein maßstabsgetreues Modell der Brücke in einem Windkanal und nahmen Messungen vor; Ihre Analyse des Brückenflatterns würde ein neues Gebiet der Technik hervorbringen, die Brückenaerodynamik-Aeroelastik, die seitdem in die Entwürfe aller großen Brücken mit großer Spannweite der Welt eingeflossen ist, von der epischen Verrazano Narrows Bridge in New York bis zur heute längsten Hängebrücke, der Akashi-Kaikyō-Brücke über die Akashi-Straße in Japan.

Der 1950 abgeschlossene Ersatz des Tacoma Narrows war ein großer Fortschritt gegenüber seinem Vorgänger, mit offenen 33-Fuß-Versteifungsbindern (im Vergleich zu Gerties 8-Fuß-Fachwerken), Windgittern und hydraulischen Stoßdämpfern (Spitzname: „Sturdy Gertie“). ) Im Jahr 2007 eröffnete der Staat direkt neben der anderen eine weitere Hängebrücke, um der gestiegenen Nachfrage gerecht zu werden. Heute sind die beiden Brücken die 38. längsten Brücken der Welt. (Apropos technische Bedenken: Washington ist mittlerweile ein Symbol für die USA als Ganzes, wenn es um den Zustand seiner Brücken geht: Nach Angaben des US-Verkehrsministeriums müssen 26 % entweder erheblich repariert werden oder sind dem heutigen Verkehr nicht gewachsen , ein Problem, das durch ein neues Autobahngesetz in Höhe von 300 Milliarden US-Dollar gelöst werden soll.)

Wie es ist, heute über eine der Tacoma Narrows Bridges zu fahren

Ein Jahr nach dem Einsturz gab David L. Glenn, der Außendienstingenieur der PWA, bekannt, dass er die Fertigstellung der Brücke im Juli 1940 nicht genehmigt hatte die Struktur. Aber die PWA akzeptierte die Brücke, ebenso wie die Washington State Toll Bridge Authority. (Die PWA entließ David Glenn zwei Wochen nachdem die Geschichte Schlagzeilen machte.)

Die Situation, die zum riskanten Design der ursprünglichen Brücke führte, spiegelt Muster wider, die vor der Explosion des Space Shuttle Challenger und dem Debakel mit dem GM-Zündschalter existierten. Kulturen des Gruppendenkens entmutigen abweichende Meinungen, indem sie sich zu Wort melden, Fehler eingestehen und Neugestaltungen vornehmen, selbst wenn diese notwendig sind.

Diese institutionellen Probleme sind umso beängstigender, als die großen neuen Dinge, die Institutionen hervorbringen, oft mit unerwarteten Mängeln einhergehen, die schwer zu beheben sein können. Sie können für das entwerfen, was Sie kennen, aber möglicherweise nicht für das, was Sie nicht kennen. Nicht nur das Unbekannte, das Bekannte, um einen belastenden Ausdruck auszuleihen, sondern das Unbekannte, das Unbekannte. Ein weiteres innovatives Wunderwerk gigantischer, aber leichter Ingenieurskunst waren die Twin Towers. Als sie in den 1960er Jahren errichtet wurden, waren sie so gebaut, dass sie der Wucht eines Flugzeugs standhalten konnten, das frontal gegen ihre Fassaden prallte, und am Morgen des 11. September taten sie das auch. Sie waren jedoch nicht dafür ausgelegt, Bränden durch Düsentriebwerke standzuhalten, die ihre leichten Stahlkonstruktionen schwächen könnten. Ab dem Jahr 2000 führte die Hafenbehörde einen neuen Brandschutz der Türme durch, ein Prozess, der am Morgen des 11. September noch im Gange war.

Mit anderen Worten: Es gibt Probleme, die wir angehen können, aber es gibt auch Probleme, die wir noch nicht angehen können, weil wir noch nicht wissen, dass sie existieren. Zu diesem Zeitpunkt ist wahrscheinlich unsere Vorstellungskraft das beste Werkzeug, das wir haben.

Aus dem Registrierungsformular des National Register of Historic Places für „Galloping Gertie“

Wir haben auch unser Gedächtnis. Aber wie der Designprozess der Tacoma Narrows gezeigt hat, erinnern wir uns nicht immer daran. Henry Petroski, ein Ingenieur und Wissenschaftler auf dem Gebiet des Scheiterns, beobachtet, dass es etwa alle dreißig Jahre zu größeren Brückenausfällen kommt. Dies könnte die Zeit sein, die eine neue Generation von Ingenieuren braucht, um die Lehren ihrer Vorgänger zu vergessen. „Die wesentliche Lehre aus der Tacoma-Narrows-Brücke“, schreibt er, „ist nicht, dass sie einstürzte, sondern dass sie in einer Atmosphäre der Zuversicht einstürzte, dass dies nicht der Fall sein würde, und zwar auf eine Art und Weise, die nicht vorhergesehen worden war.“

Natürlich lernen wir, wenn wir große neue Dinge unternehmen, hoffentlich auch, ein gewisses Maß an Risiko und Unsicherheit zu akzeptieren. Othmar Ammann, ein weiterer führender Brückenkonstrukteur und Mitglied der Untersuchungskommission von Tacoma Narrows, schrieb, dass der Einsturz „gezeigt hat, dass jedes neue Bauwerk, das in neue Größenordnungen vordringt, neue Probleme mit sich bringt, deren Lösung weder theoretisch noch praktisch ist.“ Erfahrung liefert einen angemessenen Leitfaden. Dann müssen wir uns weitgehend auf unser Urteilsvermögen verlassen und wenn dadurch Fehler oder Misserfolge auftreten, müssen wir diese als Preis für den menschlichen Fortschritt akzeptieren.“

Farquharson bei Windkanaltests, um herauszufinden, warum Gertie zusammengebrochen ist. Bild über die Archive der University of Washington

Vielleicht. Vielleicht sind eine ungenaue Erklärung und verzerrte Beweise ein weiterer Preis, den wir für den menschlichen Fortschritt zahlen: den Fortschritt, der dadurch entsteht, dass wir Generationen von Kindern für die Physik begeistern. Natürlich musste es nicht so sein: Die Fehler im Zusammenhang mit dem Zusammenbruch von Galloping Gertie waren verständlich, aber vermeidbar. Dieser Brückeneinsturz war schon immer eine nützliche Lektion in Physik, nur nicht in Bezug auf das Konzept, um das wir dachten. Es wurde zum ironischen Symbol für die Grenzen unseres Verständnisses. Nun steht das unvergessliche, unheimliche Bild der sich windenden, einstürzenden Brücke nicht nur für eine, sondern für viele Arten von Misserfolgen.

Manchmal bedeutet eine Brücke Fortschritt und Hoffnung oder eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt, wenn wir sie erreichen. Wenn eine Brücke für ein Scheitern steht, ist sie vielleicht auch eine Warnung dafür, was passiert, wenn wir uns nicht im Voraus auf unsere zukünftigen Überfahrten vorbereiten. Betrachten Sie ihren Zusammenbruch als das, was er zu sein schien und was er tatsächlich war, und Gertie erinnert daran, dass wir beim Entwerfen von Dingen oft nicht vollständig verstehen, wie sie funktionieren oder wie sie verwendet werden – oder wir tun es und schaffen es vergessen. Sie schleicht uns auch andere Warnungen ein, die bei Ingenieuren, Wissenschaftlern, Schriftstellern und wirklich allen Anklang finden sollten: Akzeptieren Sie nicht alles, was Ihnen gesagt wird, und glauben Sie nicht alles, was Sie sehen.

—@pasternack

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