近日，我國第一座真正意義上的大型懸索橋「虎門大橋」異常抖動的視頻在網絡上引發熱議。
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很多博主都在科普文中提到「卡門渦街」與塔科馬海峽大橋。
嗯，「卡門渦街」就是以錢學森導師馮·卡門名字命名的、流體力學中一種重要的現象。
在馮·卡門的自傳中，關於「卡門渦街」的發現，他是這樣描述的：
首先我假設水經過圓柱體時一分為二，一股從上邊流過，一股從下邊流過，生成渦，經過圓柱體後脫落成為兩個尾流，一個從上面流出，一個從下面流出。接著可能有兩種可能性：第一種情況假設這些渦是完全對稱的，並且同時向前運動。但是，這個運動的數學分析顯示流動是不穩定的。渦的位置哪怕有微小差異就會不斷擴大，知道流型破壞為止。第二種情況，假設從圓柱體頂部和底部是交替脫落出渦，一個渦在頂部，一個在底部，接著又一個渦在頂部，一個在底部，不斷重複。
當我考慮這種形式的運動時，整個問題的解突然跳入我的腦中：若兩列渦有一定幾何排列，其結構就會是穩定的。只有當每列渦中相鄰兩個渦的距離和兩列渦之間的距離保持一定關係，才能出現上述排列。或者可以說，兩列渦不能手拉著手向前走，必須一前一後交叉著，就像交叉安排的道路兩邊的路燈柱子那樣向前運動。
關於渦街的意義，馮卡門表示
首先，它提供了在一定條件下運動的物體尾流結構的科學的圖像。
其次，知道了尾流結構後，就能對球、圓柱體之類鈍體的型面阻力進行精確的計算，這些計算信息成為了飛機、船舶，賽車設計的理論基礎。
同時，渦街還有其他用途，將無線電發射塔、大煙囪、潛望鏡及其他細長物體在中等風速下的振動原因解釋清楚。
那「卡門渦街」又是如何懸索橋抖動聯繫在一起的呢？塔科馬海峽大橋就是不得不被提及的一環。或者也可以說是
馮·卡門與塔科馬海峽大橋的「恩怨情仇」
1940年，馮·卡門用空氣動力學進行了一次最驚人的「冒險」。此事起因於報紙上一條引人注目的大標題：「塔科馬海峽大橋坍塌。」
這座華盛頓州耗資640萬美元新造的懸索大橋，享有世界上單跨橋之王的稱號，卻在遇到一陣不太強的大風時被刮垮栽進了海灣。
從1940年7月1日大橋通車的那天起，人們就發現在輕風中塔科馬海峽大橋會上下波動。當風速在每小時3～4英裡時，橋面就有4英尺的起伏。由於這種起伏運動十分引人注目，許多參觀者遠道趕來，坐一坐這部「過山車」，一試顛簸之趣。
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坍塌的那天(1940年11月7日)早晨，大橋絲毫沒有出事的跡象。儘管夜裡起了大風，但大橋的晃動跟平時差不多。到了上午10點，風速增加到每小時42英裡，這是大橋經歷的最大風速。然而觀察人員報告說，除了中跨的振幅有些增大外，整體運動並無明顯變化。10點過幾分，大橋的運動突然出現異常現象，有節奏的起伏運動忽然變成激烈歪扭的螺旋運動，正如一位觀察人員所說的那樣，大橋似乎馬上要「翻身了」。當局立即發出警報，停止通行。
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幾分鐘後，大橋歪扭的螺旋運動愈來愈猛烈了。橋上的路燈杆已倒向近水平方向。桁架、懸索及混凝土橋面在這樣可怕的應力作用下達半小時之久。
最後，到了上午11點，大橋結構終於支撐不住了。路燈杆先倒下，接著中跨開始屈曲，一個600英尺桁架截面和橋面鬆散開來，最後發出震耳欲聾的巨響，一頭栽進了海灣。十分鐘後，中跨的其餘部分也魚貫而下，落入海中。失去了支撐的兩個邊跨，猛然抽動後也坍落下去，把橋架倒向岸邊。邊跨塌落和主跨一樣，產生的振動非常劇烈。
事故第二天的報紙上出現了一條新聞：州長認為大橋的結構沒有問題，並提出，按這座橋的基本結構再造一座新橋。
這使馮·卡門覺得情況不大對頭。那天晚上他從學校帶了一個懸橋的橡皮模型回家。我把橋梁模型放在起居室的桌上，然後打開一臺電扇。這時，模型在微風中輕輕搖動。我逐步調節電扇轉速，當風速達到一定大小時，模型就開始振動起來。而當電扇送風節奏和模型振動頻率合拍時，橋模振動就厲害起來，出現了不穩定現象。
通過實驗，馮·卡門確定情況正他猜測的那樣，興風作浪的是「卡門渦街」。
當天晚上，他就給克萊倫斯・馬丁州長發去一份電報，指出，如果他批准新橋按老橋樣式建造，那麼新橋就會按老橋方式坍塌。為了對這個問題展開熱烈討論，他在《工程新聞記錄》雜誌上發表了一篇短文。在解釋破壞原因時，他把大橋比喻為結構不好的機翼，在某種飛行條件下，會出現結構失穩：機翼偶然一扭，便產生附加作用力，這個附加作用力反過來又增加機翼的扭轉，這樣扭轉不斷增加，從而引起失穩。
當時州長沒有給馮·卡門回電。一個月後，聯邦工程局局長約翰・M・卡莫迪來電話通知，聯邦政府要馮·卡門參加調查塌橋事故的一個專門小組。
馮·卡門猜想小組內的幾位橋梁專家已經明白塔科馬大橋事故的罪魁禍首是「卡門渦街」。大橋有一實體側牆，強風推著側牆的壁板，終於形成了周期性渦旋。正是這股渦流強迫大橋振動，最後把大橋給毀了。
為了便於別人理解這種解釋，馮·卡門先請自己的助手路易斯・鄧恩在加州理工學院用各種風速對橋梁模型進行試驗，確認當風速達到某一定值，渦旋脫落的節奏和橋模振動頻率同步時，橋模就產生劇烈振動。鄧肯・蘭尼教授進行了必要的計算，之後寫了一篇關於懸索橋振動的論文。鄧肯和蘭尼的試驗結果與塔科馬大橋事故完全吻合。馮·卡門把這些能說明「卡門渦街」造成大橋塌落的資料準備完全後，出發去西雅圖與小組的專家見面。
但是，橋梁工程師們當時的思維還局限於考慮並不產生運動的靜態的カ，而不去考慮能產生或改變運動的「動態的力」。同時，他們還秉持著研究較小的、不穩定的構件如飛機機翼所採用的理論，不能被用於橋梁那樣固定的龐然大物上這樣的偏見，因此會面並不愉快！
比如，馮·卡門向橋梁工程師們建議，造新橋之前，最好做些風洞試驗。一聽這話，小組的組長、橋梁工程師安曼先生馬上表示：「您不是要我們造一座橋，把它放在風洞裡去吧?」
儘管有些分歧，但應該承認這次西雅圖會議終以大多數出席者承認空氣動力學對橋梁建築具有相當價值而結束。會議結束時，大家一致同意在新建塔科馬大橋之前先要進行各種模型的風洞試驗。因此華盛頓大學和加州理工學院都取得了一項「空氣動力學研究」合同。
西雅圖會議概括出兩條建議：
橋側壁用開有大孔的鋼板來代替原先的整塊鋼板；
在大橋路面上開槽，以防止路面上下承受的壓力不均引起橋面振動。
這些建議都要在幾年之後建造的塔科馬新橋上加以採用。
這次會議後，聯邦政府又制定了一份計劃，以空氣動力學觀點對金門大橋、屈利波羅大橋和奧克蘭灣大橋等大型懸索橋進行一次普查。
最終，馮·卡門的這次驚人「冒險」以空氣動力學在未來橋梁設計中受到重視取得全面勝利！
文字節選自西安交通大學出版社《馮·卡門——錢學森的導師》一書，有刪減
圖片：錢學森圖書館館藏、網絡