硬核科普：是什么导致了虎门大桥振动，卡门涡街？

据广东省公安厅交管局的消息，2020年5月5日下午3点30分左右，由于风速大，虎门大桥出现摇晃，为确保安全，虎门大桥现已封桥，不能通行。

目前，大量车辆涌入虎门威远，虎门交警已调派大量警力在现场指挥疏导交通，分流车辆向莞佛高速、沿江高速行驶。

专家组初步判断，虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因是：沿桥跨边护栏连续设置水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。

网友拍摄视频：

 

据网友和新闻说当时风速很大，是风导致卡门涡街振动。那么什么是卡门涡街，它有什么样子的危害呢？

卡门涡街发现者

冯·卡门(Theodore von Kármán 1881~1963)

1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯

1963年5月6日卒于德国亚琛

美籍匈牙利力学家

近代力学的奠基人之一

是钱学森、钱伟长、郭永怀和林家翘的导师

大家了解卡门涡街了吗？小编今天将与大家一起走进马宏伟教授的课堂一起来认识卡门涡街。

美国华盛顿州的Tacoma Narrow桥，于1940年7月建成，全长：1810.2米，最大跨度：853.4米。是当时世界上最长的悬索大桥。1940年11月7日在42英里/小时（相当于20m/s）风速的作用下，导致桥面折断坠落到峡谷中。大家来看看发生了什么吧。

Question：

Tacoma Narrow桥的桥面是水平的，风也是水平吹过来的，为什么会发生上述扭转的摆动，导致最后桥的坍塌呢？

Answer：

由于在风的作用下产生的卡门涡街，涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。

如上图所示，把桥作为一个横断面，风沿着水平方向吹过来，为什么却出现了扭转摆动的情况？实际上，这是由于在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡，这个涡离开以后，另一边又产生了一个涡，这些涡上下交替出现，使得桥不断的摆动，并且摆的幅度越来越大，当和桥的共振频率、扭转频率一致时，桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。

卡门涡街定义

卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时，物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反排列规则的双列线涡，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如水流过桥墩，风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等都部会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时可当作为艺术品来欣赏。

举个例子，下图一个轴对称的圆形物体受到风的作用，如果风的速度小于某个值，它的流线如下图(a)所示；随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋（如下图(b)），这个涡旋会脱落，每次脱落的时候它都会交替的出现，尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化，最后出现下图(d)(e)的情况。

其实生活中常用的工具就能观察到卡门涡街，只需要一个吹风机和一个小纸条就能够做到（详细演示可见视频），步骤如下：

① 首先，把小纸条在无风处竖直放置，观察到纸片是静止的。

② 然后，将吹风机调至低风速档，将纸片放在吹风机下面，风从纸片正上方往下吹，先将纸片放离吹风口远一点的位置，纸片还是基本静止的；慢慢靠近风口，由于实验存在误差，纸片会有一点微小的摆动，但是纸片的振幅不会太大。由此可以观察到当风速比较低时，纸片基本上还是静止的。

③ 最后，把吹风机打到高风速挡，这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大，后头尾巴会明显摆出，这也就是卡门涡街。

如图卫星拍摄到的大气中的卡门涡街

如果条件允许大家也可以与小伙伴一起完成这个实验，一起体验一下卡门涡街。

附：参考文献

1.王振东. 漫话卡门涡街及其应用[J]. 力学与实践, 2006, 28(1):88-90.

2.唐静静，范钦珊 — —《工程力学》（静力学和材料力学）第3版

本文内容经授权转载自：中国物理学会期刊网

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