El colapso del puente Tacoma Narrows: cuando la naturaleza nos dio una ejemplar lección de física

Si buscas en YouTube el puente de Tacoma Narrows te vas a encontrar unas imágenes que, a priori, no parecen reales en esta era repelta de CGI y deepfakes, Pero lo que ves son imágenes completamente reales, ese gigante de acero y hormigón que se mueve como si fuese de goma existió y las imágenes que ves son de minutos antes de derrumbarse. Ningún herido, muchas lecciones que aprender.

La historia ya sabemos cómo acaba, con el puente colapsando. Pero aún así es interesante conocer el origen del puente y por qué Tacoma Narrows se ha convertido en todo un ejemplo de cómo no hacer un puente. También por qué h dado pie a falsos mitos sobre física. Pero antes de seguir, el vídeo del puente:

Todo se remonta a 1938 en Washington, donde se hablaba desde hace un tiempo de la posibilidad de construir un puente que uniese la ciudad de Tacoma con la península de Kitsap. La falta de fondos hizo que fuera difícil llevar a cabo el proyecto, pero finalmente Leon Moisseiff (diseñador del Golden Gate y el Puente de Manhattan) presentó una idea donde a cambio de reducir algunas de las especificaciones del puente se podría construir relativamente barato. Dos años después, el 1 de julio de 1940, se inauguró el puente.

1.600 metros de longitud y pensado para que 60.000 coches al día lo cruzaran. El puente automáticamente se convirtió en el tercer puente colgante más grande del mundo. Puente colgante, es importante recalcar esto ya que es una parte importante de que todo acabase destrozado.

No hay nada deformado en esta fotografía, realmente generaba estos desniveles.

Una calamidad que se presenciaba a diario

Aquí comienza lo interesante, y es que desde le primer día de la inauguración las personas que lo cruzaban ya notaron algo: el puente oscilaba siempre que había un poco de viento. Los ingenieros rápidamente salieron a tranquilizar a las personas, advirtiendo de que el algo normal y no había de qué preocuparse. Y en cierto sentido lo es, a pesar de ser de acero y hormigón, una estructura tan grande no es 100% rígida y sufre ligeramente las presiones del aire. La gente empezó a acudir a Tacoma sólo para ver el puente balancearse, como si de una atracción turística se tratase.

El puente de Tacoma Narrows aún estable.

Hasta el 7 de noviembre de 1940, el día en el que el puente dijo que era suficiente. Con una media de unos 68 km/h ese día, el puente en principio debería haber aguantado sin problemas. Estaba diseñado para soportar vientos de hasta 200 km/h según los ingenieros. Los cálculos parece ser que estaban mal hechos, el puente comenzó a ondularse más de lo normal (que ya de por sí era preocupante).

Ante tal fenómeno comenzaron a acudir personas a presenciar el puente. También periodistas, que pudieron grabar los fascinantes vídeos que nos han llegado hasta día de hoy. Si nos fijamos en las imágenes vemos cómo el puente no solo se tambalea creando una especie de olas, sino que también lo hace en su anchura, creando loas hipnóticas imágenes donde da la sensación de que el vídeo es falso.

Como el puente estuvo avisando todo el día, a las 11 de la mañana cuando se derrumbó no había ninguna persona sobre él, tan sólo el coche de un periodista. El puente se derrumbó al completo y sólo quedaron en pie pilares sobre los que se sustentaba. Unas rachas de viento acabaron con toneladas de acero y hormigón mal construidas. Naturaleza 1, humano 0.

Poca resonancia y mucha autoexcitación aerodinámica

¿A quién se le puede echar la culpa de esto? Evidentemente a los responsables de la construcción de puente, pero si queremos buscar al causante real de que no aguantase las rachas tenemos que recurrir a la física. El primer culpable que siempre sale y se creyó que realmente lo era durante muchas décadas es un fenómeno llamado resonancia. Pero el causante real (o por lo menos el que a día de hoy creemos que lo fue) es la autoexcitación aerodinámica o aeroelasticidad. Sí, suena excitante.

No es un puente deforme, sólo autoexcitación aerodinámica.

Lo primero que tenemos que entender es qué es la resonancia. Este fenómeno se caracteriza por conseguir que la vibración de un elemento crezca sin parar hasta romperlo. ¿Te suena eso de alguien gritando hasta romper las copas de vino? Es resonancia. Para que se produzca, hay que conseguir que las oscilaciones propias del objeto coincidan con las de la fuerza externa que está excitando/impulsado el objeto.

El ejemplo más fácil para entenderlo y que siempre se utiliza es el de un columpio. Tiene su propia oscilación continua y a ello se le suma el impulso de una persona desde detrás. Ese impulso se hace en concordancia con el balanceo del columpio, para que así sea suave y cada vez más fuerte. Se dice que el columpio entra en resonancia cuando los impulsos están sincronizados.

El puente de Tacoma Narrows estaba sujeto a este fenómeno físico. Las brisas del aire entre los 30 km/h y los 40 km/h provocaban sobre el puente los llamados vórtices de Von Kármán, que se generan cuando el aire encuentra un obstáculo. Estos vórtices generaban unos remolinos que coincidían con las oscilaciones propias del puente, por lo que desde el primer día el puente ondulaba ligeramente y llamó tanto la atención.

El 7 de noviembre sin embargo no fue este fenómeno el que causó el colapso del puente. Hay dos razones obvias por las que no era un efecto de la resonancia. La primera es que los vientos eran de 68 km/h, velocidad a la que no coincidió con ninguna de las oscilaciones propias del puente. La segunda es cómo se movía el puente, ya no lo hacia en forma de olas, sino también sobre su propio eje central creando una especie de torsión.

En Magnet

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Según los diversos estudios que se han realizado posteriormente, el colapso se lo debemos a la autoexcitación aerodinámica, un fenómeno que se produce cuando un objeto entra en contacto con una corriente de aire. Las corrientes de aire, si son lo suficientemente fuertes como para mover un objeto, provocarán que este se mueva para adaptarse a las distintas presiones que lo rodean. En consecuencia el aire genera unas condiciones distintas debido al movimiento del objeto. De nuevo esto provoca un movimiento en el objeto que de nuevo generará nuevas condiciones en el aire... hay dos resultados posibles: o se estabiliza la corriente y el objeto o siguen alterándose cada vez con más intensidad hasta reventar. Un imagen vale más que mil palabras y un vídeo mucho más, en el siguiente podemos ver una animación recreando el efecto sobre el puente:

El puente Tacmo Narrows genero la segunda de las opciones. En velocidades mas bajas cuando había resonancia los remolinos de viento que generaban los vórtices de Von Kármán entraban por encima y por debajo del puente, pero lo hacían a una velocidad suficientemente lenta como para que el puente acabase su oscilación a tiempo y ambos remolinos se anulasen el uno al otro. A 68km/h fue distinto, los remolinos de viento que se generaron por vórtices de Von Kármán eran más veloces que el periodo de torsión del puente, por lo que el remolino salía antes de tiempo por un lado que por el otro, cuando la torsión era la opuesta ocurría lo contrario.

Debido a esta inestabilidad entre remolinos y torsión del puente se generaban vórtices más grandes en cada ocasión, provocando a su vez torsiones más exageradas que retroalimentaban de nuevo a los vórtices. El resultado de algo así es evidente, en cuestión de una hora el puente no aguantó más las ondulaciones y acabó hecho pedazos.

¿Conclusión? Nos quedan muchos fenómenos físicos por descubrir (lamentablemente por prueba y error en algunas ocasiones como con el puente Tacoma Narrwos). Y por supuesto, que no hay que subestimar a la naturaleza.

Vía | Simscale y Washington State Department of Transportation