顫振效應帶來的危害比共振大?

（來源網絡）

【關於4月26日鸚鵡洲長江大橋發生異常震動的情況說明 4月26日下午14時許，鸚鵡洲長江大橋雙向橋面出現可感知的上下波形晃動，管養單位武漢市城投集團公司立即通知橋梁設計單位和相關專家實地踏勘，分析異常震動產生的原因，目前專家研判認為，此次橋梁異常振動系特定風況引起，振幅在設計允許範圍內；橋梁結構運行正常，安全有保障。

                       武漢市城投集團公司

                           2020年4月26日】

△ 塔科馬海峽吊橋中部斷裂。（圖片來源：Pinterest)

1940年11月7日上午，塔科馬海峽吊橋戲劇性地坍塌了，成為了現代橋梁的失敗案例中最具代表性的例子。塔科馬海峽吊橋是當時世界排名第三的懸索橋，緊隨喬治華盛頓大橋和金門大橋之後，它將塔科馬連接到普吉特灣的吉薩普半島，並於1940年7月1日正式開放通車。而僅僅過了四個月，在適當的風力下，橋梁在共振頻率的驅動下產生了不可控的振蕩和扭轉。在一個小時後，橋梁中部倒塌，橋被摧毀。這是共振威力的證明，這件事也從此被作為物理和工程類課程的經典例子。不幸的是，這個故事是個完完全全的迷思。

每個物理系統或物體都有其固有的共振頻率。例如，鞦韆就有能驅動它的特有頻率，每個蕩鞦韆的孩子，無需懂得物理，都會自然摸索出這個頻率——太快或太慢都無法讓讓鞦韆達到足夠蕩起來的速率。但如果一個系統中累積的振動能量已超出自身所能負荷，共振頻率或許會造成災難性的破壞。例如，用適當音調/頻率的聲音就能夠將酒杯震碎：

（圖片來源：Marty33 of YouTube）

那麼再回到前面說到橋梁坍塌問題，是不是說共振就是其罪魁禍首了呢？這就是科學中最簡單的陷阱：對一個問題提出一個簡單、顯而易見且令人信服的解釋，而它卻完全是錯誤的。我們可以計算出橋梁的共振頻率是多少，而事實上當時並沒有什麼可以造成那種頻率，只有一陣持續的強風，橋本身並沒有在共振頻率上振蕩！

實際發生的事情是特別神奇的，也是給所有橋梁設計的重要經驗教訓——很多人還沒注意到的經驗教訓。

△ 溫哥華的卡皮拉諾吊橋：是世界上最長的步行懸索橋。（圖片來源：Wikipedia)

每當你在任意兩點間懸掛一個物體時，它可以自由移動，振動，振蕩等等，它會有對外部刺激的自身反應，就像吉他弦會振動來響應外部激發。這也是橋梁在大部分情況下會發生的事：隨著汽車駛過、風的吹動等等，橋身會上下振動。所以當年在塔科馬海峽吊橋上發生的事正是在任何懸索橋都在發生的，只是由於當時在施工上採取的節約成本的措施導致它的振動幅度更強。像橋梁這樣的結構特別擅長擺脫這種振動能量，所以這種振動並不會構成坍塌的威脅。

△ 當穩定強風吹過橋梁(長方形)是產生旋渦，若風持續事件夠長則改變橋梁的運動。（圖片來源：Bernard J. Feldman/The Physics Teacher)

但在1940年11月7日從塔科馬海峽吊橋吹過的是比以往任何時候都更強、更持久的風，導致風飄過橋上形成旋渦。若只是在小「劑量」下，還不會對橋造成太大的問題，但在長時間持續經歷強風的情況下，問題就來了。

△ 塔科馬海峽吊橋的顫振現象的二維CFD模擬。（圖片來源：Daniel Wei/Youtube)

隨著時間的推移，它們會引起稱為「顫振」（如上視頻）的空氣動力學現象，其中幾個端點在風向方向會產生額外的搖擺運動。這使得橋身外部會在垂直於風向的方向上移動，但是與橋的整體上下運動異相。過去大家都認為這種顫振現象只對飛機來說是災難性的，但從未見它影響過橋梁，至少沒有發生過這種程度的破壞。

△ 在顫振效應下，飛機翼可以被彎曲甚至是完全斷裂。（圖片來源：Netherlands Aerospace Centre / NLR）

當顫振效應開始時，支撐橋梁的其中一根鋼索咔嗒一聲斷裂，掃清了這種顫震運動的最後一個主要障礙。那時，橋梁兩側開始產生額外的前後搖擺。在持續的強風下，產生持續的旋渦，並且橋梁本身沒有能力消散這些力量，橋身的搖擺沒有減退，而是更加強烈。橋上的最後一個逃離現場的人是拍攝這些畫面的攝影師。

△ 攝影師Howard Clifford在塔科馬吊橋中部斷裂前一分鐘逃離現場。（圖片來源：University of Washington historic archives)

但是，需要強調的是，橋梁的坍塌不是因為共振，而是橋自身引發的搖擺！由於沒有消散這些能量的能力，它只是反覆地扭轉，隨著扭曲的繼續，它受到的損害也繼續，正如來回地扭轉一個堅實的物體會最終導致它斷裂。因此，導致橋梁斷裂的罪魁禍首並非共振，而是缺乏對所有可能產生影響的效應的預見、廉價的施工技術以及沒有計算所有的相關力。

儘管如此，這件事也並非是完全失敗的。調查坍塌的工程師很快就明白這一現象，在10年內，他們創立了有一個新的科學領域——橋梁空氣動力學和空氣彈性學。現在，「顫振」現象已被廣泛理解了，但我們必須牢牢的記住它才能讓它更有效。後來修建的跨越塔科馬海峽的兩座橋梁已經修復了之前的缺陷，但是倫敦的千禧橋和俄羅斯的伏爾加格勒大橋都在21世紀被曝出過有「顫振」相關的缺陷。

不要再讓「共振」背負是導致所有著名橋梁坍塌的黑鍋了。真正的原因實際上更加可怕，如果我們忽略了真正帶來災難性事件的顫振效應，可能會讓世界各地的數百座橋梁因此遭殃。

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