¿Por qué demasiados caminantes hacen que los puentes se tambaleen y se balanceen?

Las vibraciones muy pequeñas de cada persona que camina pueden amplificarse significativamente”, dice Igor Belykh. En ese momento, las personas notan el tambaleo y ajustan sus pasos para mantener el equilibrio, lo que solo empeora las cosas. (Crédito: Getty Images)

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Los investigadores han descubierto una nueva explicación sorprendente de por qué los puentes peatonales pueden comenzar a tambalearse y balancearse repentinamente: demasiadas personas cruzan a la vez y simplemente intentan no caerse.

En un nuevo estudio publicado en la revista Nature Communications, los investigadores muestran cómo un puente, incluso uno tan diseñado como el Golden Gate o el Puente de Brooklyn, puede volverse repentinamente inestable.

Si suficientes personas cruzan a pie, cada una caminando a su propia velocidad natural, transfieren tanta energía al puente que puede comenzar a oscilar. Luego, a medida que cada caminante individual ajusta sus pasos para tratar de no caerse, desestabilizan aún más el puente.

El bamboleo de los puentes puede generar pánico masivo: en 1987, en el 50.° aniversario del puente Golden Gate de San Francisco, 300 000 celebrantes intentaron cruzar y el puente crujió y se tambaleó, provocando que la gente entrara en pánico, vomitara y comenzara a arrojar bicicletas e incluso cochecitos de bebé al agua. el océano para aligerar la carga del puente.

El nuevo trabajo derriba la explicación aceptada desde hace mucho tiempo de los puentes temblorosos y temblorosos, que durante los últimos 20 años se pensó que se debía a la sincronización masiva de pasos.

"Nuestro trabajo muestra que las vibraciones muy pequeñas de cada persona que camina pueden amplificarse significativamente", dice Igor Belykh, profesor de matemáticas, estadística y neurociencia en la Universidad Estatal de Georgia.

En ese momento, las personas notan el tambaleo y ajustan sus pasos para mantener el equilibrio. Eso solo empeora las cosas y el puente puede volverse inestable.

El nuevo trabajo se basa en datos de 30 puentes diferentes y utiliza fórmulas matemáticas complejas que predicen el punto de inflexión preciso para un puente en particular: la cantidad exacta de personas que comenzarán a moverlo. El estudio también muestra que los puentes en general pueden ser más vulnerables de lo que se pensaba.

Los puentes tienen frecuencias naturales de vibración, debido a fenómenos como las corrientes de aire y el tráfico. Predecir su punto de inestabilidad no es fácil.

Los nuevos conocimientos ayudarán a los ingenieros y diseñadores de puentes a "construir puentes mejores y más seguros", dice Belykh. "La geografía de estos eventos de inestabilidad inducidos por la multitud es verdaderamente mundial".

En 2003, por ejemplo, la ciudad de Nueva York sufrió un apagón y una multitud de peatones cruzó el puente de Brooklyn en la oscuridad. Esto hizo que el famoso puente vibrara y se balanceara tanto que algunos se marearon y no pudieron mantener el equilibrio si se quedaban quietos.

Y en 2000, el recién inaugurado Puente del Milenio de Londres recibió el apodo de puente tambaleante debido a su movimiento oscilante cuando las multitudes cruzaban el día de la inauguración, lo que provocó que las autoridades cerraran el puente de inmediato y no lo reabrieran durante dos años.

Fue el Puente del Milenio el que inspiró la explicación aceptada desde hace mucho tiempo de la inestabilidad del puente: que los humanos caminaban al unísono, sincronizados como péndulos oscilantes. Esto se llama bloqueo de fase.

Mirando videos de los caminantes, sus cabezas y torsos parecían moverse al unísono como una ola. Se pensó que este movimiento masivo de izquierda a derecha inclinó un puente de un lado a otro. De hecho, el puente Albert, que se construyó sobre el río Támesis de Londres, recibió el apodo de "La dama temblorosa" y cuenta con un letrero que instruye a los soldados cercanos que marchan a cruzar para romper el paso.

"Esta explicación fue tan popular", dice Belykh, "que ha sido parte del espíritu científico".

Una razón por la que fue popular es la idea de que un comportamiento coherente puede surgir en sistemas complejos a medida que oscilan, ya sean neuronas, luciérnagas o pasos humanos. Y, sin embargo, la teoría fue cuestionada instantáneamente por el físico ganador del Premio Nobel Brian Josephson, solo cuatro días después del incidente del Puente del Milenio. Sugirió lo que prueba el trabajo actual: fueron las personas tratando de mantener el equilibrio en el puente que se balanceaba lo que intensificó el bamboleo.

El nuevo artículo se basa en los conocimientos publicados por primera vez por Belykh y sus colegas en 2017, que encontraron que cuando 164 personas caminaron por el Puente del Milenio, podría permanecer estable, pero agregar una persona más inclinó la balanza. Los modelos tienen en cuenta tanto el movimiento de lado a lado (lateral) como el de avance.

"Piense en los pasajeros que caminan en un bote que se balancea de lado a lado en un mar tormentoso", dice Belykh. "Adaptarán su movimiento tanto lateralmente como hacia adelante en respuesta a las sacudidas del barco. En particular, reducirán la velocidad de su movimiento hacia adelante".

Al hacer esto, afectan la estabilidad del puente a través de un mecanismo llamado "amortiguación negativa", que esencialmente significa que los movimientos de los peatones excitan el puente y aumentan sus oscilaciones. Belykh comparó esto con un columpio oxidado que era difícil de mover, pero si suficientes padres lo empujaban, comenzaba a columpiarse solo.

"Los diseñadores de puentes deben ser conscientes de que siempre puede haber casos peligrosos de amortiguamiento negativo", dice Belykh, si la multitud es lo suficientemente grande. "Nuestra fórmula proporciona estimaciones útiles, dada la cantidad esperada de peatones que usan un puente".

Los ingenieros deben poder incluir detalles sobre un puente y usuarios potenciales y construir en consecuencia. Las fórmulas matemáticas se basan en el concepto de que los humanos funcionan un poco como péndulos invertidos (con dos patas de péndulo) y, por lo tanto, pueden simularse como 'maniquíes de prueba de choque' en videos y diagramas de puentes.

Mirando hacia el futuro, los investigadores planean estudiar el efecto de las interacciones y el movimiento de persona a persona en multitudes densas. También planean recolectar la energía inherente de un puente, ya que todos los puentes oscilan a medida que se usan.

Trabajando con la Universidad Heriot-Watt en Edimburgo e investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, Belykh planea recolectar esta energía no utilizada para alimentar pequeños sensores que pueden monitorear la integridad estructural de un puente.

El estudiante de doctorado del estado de Georgia Kevin Daley y el ex estudiante de doctorado Russell Jeter, ahora en una empresa de robótica Motus Nova, realizaron los cálculos y simulaciones para el estudio. Los coautores adicionales son de la Universidad de Bristol, la Universidad de Cambridge y la Universidad de Leicester.

Las subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias, incluida una sobre estabilidad de puentes y otra sobre recolección de energía para sensores de puentes, financiaron el trabajo.

Fuente: Universidad Estatal de Georgia

Estudio original DOI: 10.1038/s41467-021-27568-y

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