硬核科普:是什麼導致了虎門大橋振動,卡門渦街?

據廣東省公安廳交管局的消息，2020年5月5日下午3點30分左右，由於風速大，虎門大橋出現搖晃，為確保安全，虎門大橋現已封橋，不能通行。

目前，大量車輛湧入虎門威遠，虎門交警已調派大量警力在現場指揮疏導交通，分流車輛向莞佛高速、沿江高速行駛。

專家組初步判斷，虎門大橋懸索橋本次振動的主要原因是：沿橋跨邊護欄連續設置水馬，改變了鋼箱梁的氣動外形，在特定風環境條件下，產生了橋梁渦振現象。

網友拍攝視頻：

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據網友和新聞說當時風速很大，是風導致卡門渦街振動。那麼什麼是卡門渦街，它有什麼樣子的危害呢？

卡門渦街發現者

馮·卡門(Theodore von Kármán 1881~1963)

1881年5月11日生於匈牙利布達佩斯

1963年5月6日卒於德國亞琛

美籍匈牙利力學家

近代力學的奠基人之一

是錢學森、錢偉長、郭永懷和林家翹的導師

大家了解卡門渦街了嗎？小編今天將與大家一起走進馬宏偉教授的課堂一起來認識卡門渦街。

美國華盛頓州的Tacoma Narrow橋，於1940年7月建成，全長：1810.2米，最大跨度：853.4米。是當時世界上最長的懸索大橋。1940年11月7日在42英裡/小時（相當於20m/s）風速的作用下，導致橋面折斷墜落到峽谷中。大家來看看發生了什麼吧。

Question：

Tacoma Narrow橋的橋面是水平的，風也是水平吹過來的，為什麼會發生上述扭轉的擺動，導致最後橋的坍塌呢？

Answer：

由於在風的作用下產生的卡門渦街，渦作用以後使得橋面周期性出現上下的作用力。

如上圖所示，把橋作為一個橫斷面，風沿著水平方向吹過來，為什麼卻出現了扭轉擺動的情況？實際上，這是由於在橋面的上流線經過的過程中橫斷面上邊產生了一個渦，這個渦離開以後，另一邊又產生了一個渦，這些渦上下交替出現，使得橋不斷的擺動，並且擺的幅度越來越大，當和橋的共振頻率、扭轉頻率一致時，橋就會出現扭轉擺動的情況。這就是著名的卡門渦街。

卡門渦街定義

卡門渦街是流體力學中重要的現象，在自然界中常可遇到。在一定條件下的定常來流繞過某些物體時，物體兩側會周期性地脫落出旋轉方向相反排列規則的雙列線渦，經過非線性作用後，形成卡門渦街，如水流過橋墩，風吹過高層樓廈、電視塔捆囪、電線等都部會形成卡門渦街。卡門渦街的圖片十分漂亮，有時可當作為藝術品來欣賞。

舉個例子，下圖一個軸對稱的圓形物體受到風的作用，如果風的速度小於某個值，它的流線如下圖(a)所示；隨著流速的增大在它的尾部出現了一個氣流的渦旋（如下圖(b)），這個渦旋會脫落，每次脫落的時候它都會交替的出現，尾部的渦在脫落的過程造成的負壓力出現周期性的變化，最後出現下圖(d)(e)的情況。

其實生活中常用的工具就能觀察到卡門渦街，只需要一個吹風機和一個小紙條就能夠做到（詳細演示可見視頻），步驟如下：

首先，把小紙條在無風處豎直放置，觀察到紙片是靜止的。

然後，將吹風機調至低風速檔，將紙片放在吹風機下面，風從紙片正上方往下吹，先將紙片放離吹風口遠一點的位置，紙片還是基本靜止的；慢慢靠近風口，由於實驗存在誤差，紙片會有一點微小的擺動，但是紙片的振幅不會太大。由此可以觀察到當風速比較低時，紙片基本上還是靜止的。

最後，把吹風機打到高風速擋，這個時候可以觀察到紙片中部振幅波動大，後頭尾巴會明顯擺出，這也就是卡門渦街。

如圖衛星拍攝到的大氣中的卡門渦街

如果條件允許大家也可以與小夥伴一起完成這個實驗，一起體驗一下卡門渦街。

附：參考文獻

1.王振東. 漫話卡門渦街及其應用[J]. 力學與實踐, 2006, 28(1):88-90.

2.唐靜靜，範欽珊 — —《工程力學》（靜力學和材料力學）第3版

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