虎門大橋振動的原因是什麼？你看我在第二層，其實我在第五層 | 袁嵐峯_風聞

導讀

借這個時機科普卡門渦街，很好，非常好。唯一的問題在於，這個解釋是——錯的。塔科馬大橋倒塌和虎門大橋振動的原因，並不是卡門渦街導致的共振，而是另有更深入的原因。你看我在第二層，其實我在第五層！

2020年5月5日，廣東虎門大橋發生明顯的振動。5月15日，虎門大橋恢復了交通，不過繼續禁止貨車和40座及以上客車通行。

虎門大橋恢復通車！3分鐘瞭解虎門大橋振動事件始末，來源：新京報

這也成為了一次科普的良機。許多專業人士説，振動的原因是“卡門渦街”。許多人繪聲繪色地講述了1940年塔科馬大橋倒塌的故事，説這是因為卡門渦街導致的共振。

這裏的卡門不是歌劇裏的吉普賽女郎卡門，而是錢學森的博士導師、空氣動力學大師馮·卡門（Theodore von Kármán，1881 - 1963）。

歌劇《卡門》視頻版

歌劇《卡門》

馮·卡門

我以前介紹過（我們都知道錢學森的偉大精神，那麼他的貢獻有多強？| 科技袁人）

《我們都知道錢學森的偉大精神，那麼他的貢獻有多強？| 科技袁人》視頻版

1945年，二戰結束的時候，馮·卡門領銜寫了一份報告，準確地預測了空戰的基本趨勢，指導了以後幾十年美國空軍的發展。錢學森也參與了這項工作，寫了6份專題報告。所以錢學森回國後，能為中國的兩彈一星工程提供全局性的指導。這師徒兩人不是一般的科學家，而是戰略科學家！

1944年12月，美國空軍馮·卡門顧問團在華盛頓五角大樓會議會 主席座位上為馮·卡門，後排站立者左二為錢學森（錢學森和馮·卡門1945年的秘密中國行 | 科學春秋）

錢學森

讓我們回到虎門大橋。借這個時機科普卡門渦街，很好，非常好。唯一的問題在於，這個解釋是——錯的。塔科馬大橋倒塌和虎門大橋振動的原因，並不是卡門渦街導致的共振，而是另有更深入的原因。你看我在第二層，其實我在第五層！

下面，我們來稍微解釋一下。

塔科馬大橋位於美國華盛頓州，1940年7月1月建成通車。4個月後的11月7日，一場速度19米/秒、相當於八九級的風，居然就把它吹得搖搖欲墜，最大扭角達到35度。劇烈振動70分鐘後，大橋坍塌了（馮卡門也犯錯？大橋振動和卡門渦街到底什麼關係？|  氣動彈性力學與流動控制）。這場災難被稱為20世紀最嚴重的工程設計錯誤之一。幸運的是，橋上的人都及時逃生，無人死亡。

當時正好有好萊塢的團隊在那裏拍電影，大橋搶了主角的戲。於是他們把橋樑搖晃和倒塌的過程拍了下來，成了寶貴的一手資料（引發虎門大橋振動的“卡門渦街”的啓示：偉大的發現往往與應用無關 | 王育人）。

 

塔科馬大橋搖擺

塔科馬大橋坍塌

馮·卡門提出，事故的原因是卡門渦街導致的共振。由於馮·卡門的崇高名望，這很快成了公認的解釋。

什麼叫做卡門渦街呢？專業的定義是：在一定條件下的定常來流繞過鈍型物體時，物體兩側會週期性地交替脱落出旋轉方向相反、並排列成有規則的雙列線渦（馮卡門也犯錯？大橋振動和卡門渦街到底什麼關係？|  氣動彈性力學與流動控制）。用日常語言説，就是流體經過障礙後，會形成兩串旋轉方向相反的旋渦。看圖就很容易理解了。

從空中俯瞰雲團流過島嶼形成的卡門渦街

數值模擬的卡門渦街

這個現象是在1911年，由馮·卡門的博士導師、也就是錢學森的師祖普朗特教授的研究組發現的。馮·卡門在理論上找到了原因，所以叫做卡門渦街。

1945年5月，在德國哥廷根大學，美國空軍顧問團成員馮·卡門、錢學森審訊路德維希·普朗特教授（錢學森和馮·卡門1945年的秘密中國行 | 科學春秋）

馮·卡門對塔科馬大橋坍塌的解釋是：這兩串旋轉方向相反的旋渦以一定的頻率拍打橋樑，這個頻率剛好跟橋樑自身振動的固有頻率相近，於是發生了共振。振幅越來越大，最後橋樑就坍塌了。

這個解釋聽起來很合理，所以直到九十年代，都是教科書中的標準解釋，作為共振的典型案例。

教科書中將卡門渦街作為塔科馬大橋振動的解釋（馮卡門也犯錯？大橋振動和卡門渦街到底什麼關係？|  氣動彈性力學與流動控制）

咦，九十年代之後發生了什麼？

之後發生的事情，是工程師們不滿足於這種定性的解釋，而是希望在風洞中重現塔科馬大橋的共振。然後他們發現，塔科馬大橋的固有扭轉頻率大約是0.2 Hz，而卡門渦街的頻率大約是1 Hz，兩者並不相近！這根本不是共振嘛！

所以，九十年代以後的教科書都改了，指出塔科馬大橋坍塌的原因是顫振，而不是共振。

在Dowell教授（美國工程院院士，現代氣動彈性力學奠基人）2013年的著作A  Modern Course in  Aeroelasticity中寫到：“Scanlan教授指出，一些物理教科書將塔科馬大橋的倒塌歸結為渦激共振的觀點是錯誤的，實質上是由於顫振，這是兩個截然不同的現象。”（馮卡門也犯錯？大橋振動和卡門渦街到底什麼關係？|  氣動彈性力學與流動控制）

什麼叫做顫振呢？

無人機發生顫振解體

滑翔機發生非線性顫振

我的朋友、流體力學研究者、西北工業大學航空學院副院長張偉偉教授最近寫了一篇文章，標題叫做《馮卡門也犯錯？大橋振動和卡門渦街到底什麼關係？》，對此做了深入的分析。

卡門渦街確實發揮了作用，但不是共振，而是導致橋樑的某個振動模式自激放大。專業一點説，這個振動模式能夠從流體中吸收能量，具有發散的傾向。卡門渦街的出現，誘導了這個發散的振動模式，振幅越來越大，最後就斷裂了。

打個比方，卡門渦街好比一個健身操教練。以前的解釋是，你直接模仿這個教練的一舉一動，運動起來了。現在的解釋是，這個教練激發了你內在的動力，你運動起來了，還帶動她和你一起運動。有興趣深入瞭解的觀眾，請閲讀張偉偉老師的原文。

你是我的小呀小蘋果

順便説一句，有人説虎門大橋的鋼索斷裂、主纜腐蝕嚴重，痛罵豆腐渣工程。工作人員指出，這是2019年檢修時發現的（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1666361467914948209），已經處理過了，並不是今年的事，當然也不是今年振動的原因。

今年振動的原因，正是上面説的“健身操教練激發你內在的動力”（虎門大橋今天恢復交通，振動原因正式公佈）。以後誰再跟你説，塔科馬大橋坍塌和虎門大橋振動是因為共振，你就可以指出他的錯誤了。你看我在第二層，其實我在第五層！

最後，這個故事對我們有什麼啓發？這説明科學不受任何權威的束縛，即使是馮·卡門這樣的大師。沒有任何東西是金科玉律，今天認為是真理的，明天就可能在新的證據面前修正。

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