Warum zu viele Spaziergänger dazu führen, dass Brücken wackeln und schwanken

„Sehr kleine Vibrationen jeder gehenden Person können erheblich verstärkt werden“, sagt Igor Belykh. An diesem Punkt bemerken die Menschen das Wackeln und passen ihre Schritte an, um das Gleichgewicht zu halten, was die Sache nur noch schlimmer macht. (Quelle: Getty Images)

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Forscher haben eine überraschende neue Erklärung dafür entdeckt, warum Fußgängerbrücken plötzlich ins Wanken und Schwanken geraten können: Zu viele Menschen überqueren die Brücke auf einmal und versuchen einfach, nicht umzufallen.

In einer neuen Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigen Forscher, wie eine Brücke – selbst eine so hochentwickelte Brücke wie die Golden Gate oder die Brooklyn Bridge – plötzlich instabil werden kann.

Wenn genügend Menschen zu Fuß die Brücke überqueren und jeder mit seiner natürlichen Geschwindigkeit geht, übertragen sie so viel Energie auf die Brücke, dass diese möglicherweise ins Schwingen gerät. Wenn dann jeder einzelne Läufer seine Schritte anpasst, um nicht zu fallen, destabilisieren sie die Brücke noch mehr.

Wackelnde Brücken können zu Massenpanik führen – 1987, am 50. Jahrestag der Golden Gate Bridge in San Francisco, versuchten 300.000 Feiernde, die Brücke zu überqueren, und die Brücke ächzte und schwankte, was dazu führte, dass Menschen in Panik gerieten, sich übergeben mussten und anfingen, Fahrräder und sogar Kinderwagen hineinzuwerfen ins Meer, um die Last der Brücke zu verringern.

Das neue Werk widerlegt die seit langem akzeptierte Erklärung für wackelige, schwankende Brücken – die in den letzten 20 Jahren auf die massenhafte Synchronisierung von Schritten zurückzuführen war.

„Unsere Arbeit zeigt, dass sehr kleine Vibrationen jeder gehenden Person erheblich verstärkt werden können“, sagt Igor Belykh, Professor für Mathematik, Statistik und Neurowissenschaften an der Georgia State University.

An diesem Punkt bemerken die Menschen das Wackeln und passen ihre Schritte an, um das Gleichgewicht zu halten. Das macht die Sache nur noch schlimmer und die Brücke kann instabil werden.

Die neue Arbeit basiert auf Daten von 30 verschiedenen Brücken und verwendet komplexe mathematische Formeln, die den genauen Wendepunkt für eine bestimmte Brücke vorhersagen – die genaue Anzahl der Menschen, die beginnen werden, sie in Bewegung zu setzen. Die Studie zeigt auch, dass Brücken im Allgemeinen möglicherweise anfälliger sind als bisher angenommen.

Brücken weisen aufgrund von Phänomenen wie Luftströmungen und Verkehr natürliche Schwingungsfrequenzen auf. Es ist nicht einfach, den Punkt ihrer Instabilität vorherzusagen.

Die neuen Erkenntnisse werden Ingenieuren und Brückenkonstrukteuren helfen, „bessere und sicherere Brücken zu bauen“, sagt Belykh. „Die Geographie dieser durch Menschenmengen verursachten Instabilitätsereignisse erstreckt sich wirklich über die ganze Welt.“

Im Jahr 2003 kam es beispielsweise in New York City zu einem Stromausfall und eine Menge Fußgänger liefen im Dunkeln über die Brooklyn Bridge nach Hause. Dies führte dazu, dass die berühmte Brücke so stark vibrierte und schwankte, dass einige von ihnen seekrank wurden und das Gleichgewicht nicht mehr halten konnten, wenn sie stillstanden.

Und im Jahr 2000 erhielt die neu eingeweihte Millennium Bridge in London den Spitznamen „wackelige Brücke“, weil sie sich am Eröffnungstag beim Überqueren der Brücke hin und her bewegte, was dazu führte, dass die Behörden die Brücke sofort schlossen und zwei Jahre lang nicht wieder öffneten.

Es war die Millennium Bridge, die die seit langem akzeptierte Erklärung für das Wackeln der Brücke inspirierte – dass Menschen im Gleichschritt gingen, synchronisiert wie schwingende Pendel. Dies wird als Phasenverriegelung bezeichnet.

Wenn man sich die Videos der Wanderer ansieht, scheint es, als würden sich ihre Köpfe und Oberkörper gleichzeitig wie eine Welle bewegen. Es wurde angenommen, dass diese massive Bewegung von links nach rechts eine Brücke hin und her kippen ließ. Tatsächlich erhielt die Albert Bridge, die über die Londoner Themse gebaut wurde, den Spitznamen „The Trembling Lady“ und verfügt über ein Schild, das nahe marschierende Soldaten anweist, den Schritt zu unterbrechen.

„Diese Erklärung war so beliebt“, sagt Belykh, „sie war Teil des wissenschaftlichen Zeitgeists.“

Ein Grund für seine Beliebtheit ist die Idee, dass in komplexen Systemen kohärentes Verhalten entstehen kann, wenn sie oszillieren – seien es Neuronen, Glühwürmchen oder menschliche Schritte. Und doch wurde die Theorie vom Nobelpreisträger Brian Josephson sofort in Frage gestellt, nur vier Tage nach dem Vorfall auf der Millennium Bridge. Er schlug vor, was die aktuelle Arbeit beweist: Es waren Menschen, die versuchten, auf der schwankenden Brücke das Gleichgewicht zu halten, was das Wackeln verstärkte.

Das neue Papier baut auf Erkenntnissen auf, die erstmals 2017 von Belykh und seinen Kollegen veröffentlicht wurden. Sie fanden heraus, dass die Brücke stabil bleiben konnte, als 164 Menschen über die Millennium Bridge gingen – aber die Hinzufügung einer weiteren Person gab den Ausschlag. Die Modelle berücksichtigen sowohl Seitwärts- als auch Vorwärtsbewegungen.

„Stellen Sie sich die Passagiere eines Bootes vor, das in stürmischer See hin und her schaukelt“, sagt Belykh. „Sie werden ihre Bewegung sowohl seitlich als auch in Vorwärtsrichtung als Reaktion auf die Erschütterungen des Bootes anpassen. Insbesondere werden sie ihre Vorwärtsbewegung verlangsamen.“

Dabei beeinflussen sie die Stabilität der Brücke durch einen Mechanismus namens „negative Dämpfung“, was im Wesentlichen bedeutet, dass Fußgängerbewegungen die Brücke anregen und ihre Schwingungen verstärken. Belykh verglich dies mit einer rostigen Spielplatzschaukel, die schwer zu bewegen war, aber wenn genügend Eltern ihr einen Schubs gaben, würde sie von selbst anfangen zu schwingen.

„Brückenplaner sollten sich darüber im Klaren sein, dass es immer zu gefährlichen Fällen negativer Dämpfung kommen kann“, sagt Belykh, wenn die Menge groß genug ist. „Unsere Formel liefert nützliche Schätzungen angesichts der erwarteten Anzahl von Fußgängern, die eine Brücke benutzen.“

Ingenieure sollten in der Lage sein, Details über eine Brücke und potenzielle Benutzer einzugeben und entsprechend zu bauen. Die mathematischen Formeln basieren auf dem Konzept, dass Menschen ein wenig wie umgekehrte Pendel (mit zwei Pendelbeinen) funktionieren und daher als „Crashtest-Dummies“ auf Videos und in Brückendiagrammen simuliert werden können.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forscher, die Auswirkungen von Mensch-zu-Mensch-Interaktionen und Bewegungen in dichten Menschenmengen zu untersuchen. Sie planen auch, die inhärente Energie einer Brücke zu nutzen, da alle Brücken schwingen, wenn sie genutzt werden.

In Zusammenarbeit mit der Heriot-Watt-Universität in Edinburgh und Forschern am Georgia Institute of Technology plant Belykh, diese ungenutzte Energie zu nutzen, um kleine Sensoren anzutreiben, die die strukturelle Integrität einer Brücke überwachen können.

Der Doktorand der Georgia State University, Kevin Daley, und der ehemalige Doktorand Russell Jeter, jetzt beim Robotikunternehmen Motus Nova, führten die Berechnungen und Simulationen für die Studie durch. Weitere Co-Autoren sind von der University of Bristol, der University of Cambridge und der University of Leicester.

Die Arbeit wurde durch Zuschüsse der National Science Foundation finanziert, darunter einer zur Brückenstabilität und einer zur Energiegewinnung für Brückensensoren.

Quelle: Georgia State University

Originalstudie DOI: 10.1038/s41467-021-27568-y

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