数值模拟的卡门涡街
这个现象是在1911年,由冯·卡门的博士导师、也就是钱学森的师祖普朗特教授的研究组发现的。冯·卡门在理论上找到了原因,所以叫做卡门涡街。
1945年5月,在德国哥廷根大学,美国空军顾问团成员冯·卡门、钱学森审讯路德维希·普朗特教授
(钱学森和冯·卡门1945年的秘密中国行 | 科学春秋)
冯·卡门对塔科马大桥坍塌的解释是:这两串旋转方向相反的旋涡以一定的频率拍打桥梁,这个频率刚好跟桥梁自身振动的固有频率相近,于是发生了共振。振幅越来越大,最后桥梁就坍塌了。
这个解释听起来很合理,所以直到九十年代,都是教科书中的标准解释,作为共振的典型案例。
教科书中将卡门涡街作为塔科马大桥振动的解释
(冯卡门也犯错?大桥振动和卡门涡街到底什么关系?| 气动弹性力学与流动控制)
咦,九十年代之后发生了什么?
之后发生的事情,是工程师们不满足于这种定性的解释,而是希望在风洞中重现塔科马大桥的共振。然后他们发现,塔科马大桥的固有扭转频率大约是0.2 Hz,而卡门涡街的频率大约是1 Hz,两者并不相近!这根本不是共振嘛!
所以,九十年代以后的教科书都改了,指出塔科马大桥坍塌的原因是颤振,而不是共振。
在Dowell教授(美国工程院院士,现代气动弹性力学奠基人)2013年的著作A Modern Course in Aeroelasticity中写到:“Scanlan教授指出,一些物理教科书将塔科马大桥的倒塌归结为涡激共振的观点是错误的,实质上是由于颤振,这是两个截然不同的现象。”(冯卡门也犯错?大桥振动和卡门涡街到底什么关系?| 气动弹性力学与流动控制)
什么叫做颤振呢?