Колебания нитей под действием равномерного потока воздуха известны давно. Есть основания считать первой подлинно научной работой по изучению эоловых тонов статью В. Струхаля (Strouhal), появившуюся в 1878 году.
Он изучал эоловы тона, возникающие при движении в воздухе длинного отрезка проволоки круглого сечения, и установил, что безразмерная величина
Sh = f d/v; (2)
в некотором диапазоне скоростей остается постоянной и равной приблизительно 0.185. Здесь f – частота эоловых тонов; d – диаметр проволоки; v – линейная скорость обтекающего потока. Впоследствии величина St была названа в честь исследователя числом Струхаля и, наряду с числом Рейнольдса и рядом других фундаментальных безразмерных величин, вошла в число важнейших критериев подобия в гидроаэромеханике. Некоторые качественные объяснения результатов экспериментов Струхаля дал Рэлей. Позже Т. Карман установил, что отношение расстояния между рядами вихрей, срывающихся за цилиндром в потоке, к расстоянию между вихрями в ряду равно примерно 0.28, т. е. довольно близко числу, установленному Струхалем.
Цилиндрические конструкции подверженные ветровым нагрузкам колеблются в поперечном направлении (перпендикулярно направлению ветра) из-за образования вихрей на боковых к ветру сторонах. Результатом является образование вихревой дорожки называемой дорожкой Кармана. В определенном диапазоне скоростей ветра и диаметров поперечного сечения цилиндрических конструкций образование и сход вихрей происходят с постоянным периодом по времени, следовательно на конструкцию действует периодическая возбуждающая колебания сила. Когда частота схода вихрей приближается к одной из собственных частот конструкции, возникают резонансные колебания. Из за изменения скорости полета и возникновения порывов ветра появляются колебания по направлению ветра но основной интерес представляют именно поперечные к ветру колебания.
Таким образом, при определенных условиях мы наблюдаем постоянные периодические колебания в такой системе, которая называется автоколебательной, а сам процесс - автоколебаниями.
Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей:
а) колебательная система;
б) источник энергии, за счет которого компенсируются потери;
в) клапан (триггер) – некоторый орган, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент.
г) обратная связь – чрезвычайно характерное для всех автоколебательных систем обратное воздействие колебательной системы на клапан, иными словами – управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Амплитуда резонансных колебаний будет возрастать до тех пор пока энергия, рассеиваемая в результате демпфирования не будет равна энергии поставляемой потоком воздуха. Таким образом, конструкции, обладающие слабым демпфированием в большей степени подвержены данному эффекту.
Процесс образования вихрей на боковых по ветру поверхностях цилиндрических конструкций зависит от чисел Рейнольдса Re. При очень малых числах Рейнольдса течение в непосредственной близости к поверхности цилиндра будет мало отличаться от идеального течения и образования вихрей не будет. При несколько больших значениях (до Re = 40) течение отрывается от поверхности и образует два симметричных вихря. Выше Re = 40 симметрия вихрей разрушается и происходит зарождение асимметрического схода вихрей с противоположных сторон. Диапазон от Re = 150 до 300 является переходным, в нем течение меняется от ламинарного к турбулентному в области свободных вихрей сорвавшихся с поверхности цилиндрической конструкции. В этом диапазоне вихревой след периодичен, но скорость вблизи поверхности меняется не периодично из-за турбулентности течения.
Апериодичность изменения скорости аргументируется турбулентностью природного ветра.
Результатом таких флуктуаций является то, что амплитуды подъемной или боковой силы являются в некоторой степени случайными, эта случайность становится более выраженной с увеличением числа Рейнольдса.
Периодичность вихревого следа характерна для диапазона от Re = 40 до 3*105. При больших числах Рейнольдса течение в пограничном слое на передней к ветру поверхности изменяется от ламинарного к турбулентному и точка отрыва вихрей смещается назад по потоку. В результате резко падает коэффициент лобового сопротивления, и след становится более узким и, вероятно, апериодичным. Следовательно, частота схода вихрей и амплитуда подъемной силы становятся случайными.