如图。这就是卡门涡街。这里的卡门就是冯卡门,钱学森在美国的导师。这个现象几百年前就有人发现了,但是冯卡门第一次给出了正确的理论分析。
这个涡街如果不太对称,就会导致某种受力不均匀,从而摆动。这个摆动的方向是和水流或风速的方向垂直的。
美国的塔科马大桥在上世纪40年代被风吹塌了,这是工程史上的大灾难。有人解释是因为卡门涡街。但这个解释很有争议。
你看虎门大桥是垂直的摆动,而图中的塔科马大桥是左右扭动。更好的解释是气动弹性颤振。这种颤振也会在桥面上下产生涡旋,但是跟卡门涡街有区别,因为被风吹过的物体(大桥本身)也在大幅度运动。塔科马大桥平时也会有类似虎门大桥的垂直摆动,但不致命。致命的是最后一次的左右扭动。
塔科马大桥这种级别的致命错误,现在是很难出现了。在桥梁设计允许范围内的上下摆动,应该是没危险的。
虎门大桥这次摆动,从目前流出的信息看,专家只猜测说可能是大桥中间的水马安放不当导致的,而且还很不确定。这种说法就很有意思了。如果是水马(如图7),那它们所直接引起的卡门涡街不足以带动整个大桥。而这又明显不是左右扭动的振颤。如果确实与水马有关,也许因为大风吹过水马后,在周边形成了涡旋,这些涡旋改变了周围的气压。导致大桥上下形成压力差,引起垂直摆动,但又不足以引起振颤。当然,这里只是随手一猜,缺乏数据支持和理论验证。不过这个问题本身,可以做一篇博士论文了。理论建模、数值模拟和风洞实验,够一个博士生折腾几年了。
具体这次是由什么原因导致的,我猜可能最后大概率没法短期内得出确定结论。原因可能跟工程问题的复杂性和工程师文化有关。他们一般不像物理学家那样爱钻牛角尖。一个东西能work,就很满意了。
美国塔科马大桥,这么惨重的灾难,按理说原因应该搞得很清楚了吧。其实不然,灾难发生五十年后,两个物理学家Billah 和Scanlan发现,绝大多数大学工程学教科书上的解释都是明显错误的。六十年后,Allan Larsen才建立了一个被实验和数值模拟都支持的靠谱物理模型。
塔科马大桥,在最后一次倒塌前,经历了次数极多的上下垂直振动。最后一次大幅度的左右扭动,也晃了45分钟才塌。所以目前虎门大桥这种情况,可能属于小概率事件,可以先进一步观察,不必太过大动干戈。