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钢筋水泥的海峡大桥，怎么会轻易被风吹毁？这就是卡门涡街的威力

来源：科普中国

由钢筋水泥铸就的大桥是十分坚固的，特别是那些集各种“黑科技”于一身的跨海大桥，更是可以顶住强烈台风的吹袭。

比如我们的港珠澳大桥，其设计最高抗风就达到了16级，也就是说即便是16级的台风也奈何不了它。那么，如果说有一座海峡大桥，被普通的风吹一吹就垮掉了，这会是什么原因呢？我们第一个想到的就是这座桥存在着质量问题。但事实上就有着这样一座桥，从设计到建造都没有任何问题，可它就是在建成四个月后轻易地被风吹毁了，这座桥就是“塔科马海峡大桥”，事实上这座桥从建成伊始就一直在微风的吹拂下晃动，只不过人们没有想到这样一座并没有明显质量问题的大桥，最终真的会塌掉。

塔科马海峡大桥到底为什么会被风吹毁呢？这源于一种流体力学现象，该现象被称之为“卡门涡街”。

什么是卡门涡街呢？假设现在有一条平直的小河，河水平稳地向前流去，此时如果我们在这条河的中心插上一根圆木，会发生什么呢？我们通常会给出这样的答案：河水会因圆木的阻碍而分叉，一部分从圆木的左侧流过，一部分从圆木的右侧流过，在分叉流过圆木之后，两股水流又会重新汇聚在一起，继续平稳地向前流淌。这是一种想当然的答案，但符合我们的常识与逻辑，所以不光我们这样认为，冯·卡门的导师路德维希·普朗特也是这样认为的。

普朗特为了研究层流现象，而让他的学生制作了一个类似于小河中间插圆木的装置，但无论怎么改进，都没能呈现出想象中水流分叉再汇聚的情形。

普朗特认为是实验装置的制作不够完美，但冯·卡门却有着自己的看法。冯·卡门通过观察发现，水流在受到圆木的阻碍后，会在流过圆木之后形成交错推进的漩涡。简单描绘一下就是，水流先是快速从圆木左侧通过，并在通过后形成一个下旋漩涡，然后水流又会快速通过圆木右侧，将第一个形成的漩涡推远，进而形成一个上旋漩涡，就这样，水流交错从圆木两侧通过并形成漩涡，这些漩涡又会被新形成的漩涡推远，冯·卡门将这种现象称之为“卡门涡街”。

卡门涡街的出现会导致另一个现象的发生，那就是圆木的振动。

圆木为什么会振动呢？这是由于“伯努利原理”。伯努利原理说明在流动的液体或气体中，流体的流动速度越快，则压强越小，反之流动速度越慢，则压强越大。当卡门涡街现象发生时，水流先快速从圆木左侧流过，此时圆木左侧的流速快，所以压强小，而右侧的流速慢，所以压强大，于是圆木会被向左推，然后水流又快速通过圆木右侧，于是右侧压强小，而左侧压强大，于是圆木又会被向右推，在这种左右力量的相互作用下，圆木就产生了振动。

塔科马大桥是一座十分壮观的海峡大桥，其长度达到了1524米，但是桥面宽度却只有11.9米，可以说整座桥是又细又长，这就为其日后被风吹毁埋下了第一个隐患。

悬索大桥一般都会在桥梁两侧安装桁架梁，这是一个基本配置，而塔科马海峡大桥也不例外，在它的原始设计中的确存在着一个7.6米的桁架梁，但是由于经费紧张，当时著名的悬索桥设计师莫伊塞夫就将其改为了2.4米的钢板。莫伊塞夫认为，这样改动不仅能够极大降低桥梁的建造成本，还能够增加桥梁的刚性。毫无疑问，莫伊塞夫的看法是完全正确的，只不过他忽略了桁架梁的特点就是“透风”，而钢板不透风。

不久之后，大桥建成了，桥梁两侧的钢板阻挡了气流的通过，于是卡门涡街现象出现了，大桥从建成开始就一直在不停晃动。

桥梁虽然在晃，但人们并不觉得危险，反而还成了个观光胜地，直到4个月之后，由于桥梁晃了太长时间，所以一根钢缆发生了断裂，于是桥梁由晃动转为扭动，最终塌掉了。大桥垮塌之后，对于整个塌桥事故进行了调查，结果发现从设计到建造都没有问题，于是决定按照原来的方案再重新建造一个，此时冯·卡门也注意到了这件事，并进行了计算，计算结果显示塌桥是必然的，于是急忙写信阻止了重蹈覆辙。

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关键词： 流动速度 形成一个 质量问题

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