鸚鵡洲長江大橋和虎門大橋的擺動都與風有關罪魁禍首正是風產生的卡門渦街

最近，“基建狂魔”種花家的氣溫高了，就連大橋似乎也有些“飄”了。4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋像波浪一樣起伏，嚇煞一眾路人。一波未平一波又起，5月5日，廣東虎門大橋也出現大幅搖晃，瞬間引發網友們熱議。

作為中國自行設計建造的第一座現代化特大型懸索橋，虎門大橋被認為是我國二十世紀橋梁建設領域的最高成就，其建成通車不過二十年，按照我國橋梁建設動輒一百年的規劃標準，基本可排除存在設計缺陷的可能性。

其實，鸚鵡洲長江大橋和虎門大橋的擺動都與風有關，罪魁禍首正是風產生的卡門渦街。

卡門渦街是什么鬼?

如果徜徉在小橋流水間，你一定會發現，當河水流速較快時，水流在遇到橋墩后會被分成兩股繞行。奇妙的是，兩股水流并不對稱，而是呈現出兩組交替的小漩渦向下游運動。

比如這樣：

類似上面這種流體繞過物體時產生兩排交錯渦旋的現象，在流體力學中被稱為卡門渦街，最初由錢學森的導師馮·卡門發現并命名。至于為何兩排渦旋不對稱，至今仍是困擾流體力學家的一個迷。

日常生活中，當風吹過橋面時大多都會形成卡門渦街，兩組周期性的、交替變化的渦旋分別對橋面上下產生作用力，橋面就隨之振動起來。

由于橋面通常設計成流線型，兩組渦旋緊貼橋面，作用力較小，引起的振動幅度很小，平時很難被察覺到。

然而，近期人們在對虎門大橋進行維護時，在橋面上放置了一排隔離擋板。這些一米多高的小家伙瞬間破壞了大橋的氣動外形，兩組渦旋與橋面脫離，作用力的大小和頻率都增大，一旦作用頻率與橋梁本身固有頻率一致而形成共振，橋面產生顯著起伏也就不足為奇了。

卡門渦街有何危害?

卡門渦街常常對橋梁造成危害，其中最經典的案例莫過于美國塔科馬大橋的坍塌。

1940年11月，建成僅4個月的塔科馬大橋在低速風中發生強烈擺動，振動幅度一度達到驚人的9米，隨后橋梁轟然垮塌墜入海中。后來的研究表明，事故元兇正是卡門渦街引起的共振。

塔科馬大橋的坍塌震驚了當時的橋梁界，此后橋梁模型風洞測試被納入橋梁試驗中，橋梁的風致振動問題也發展成為一門新興學科。

值得一提的是，卡門渦街似乎對懸索橋情有獨鐘，鸚鵡洲長江大橋、虎門大橋與塔科馬大橋均為懸索橋。懸索橋，即俗稱的吊橋，由于無需在橋中心設置橋墩，可以造得很高，常用于跨水大橋的設計中，以便船舶自由通行。

但懸索橋卻有個先天的毛病——固有頻率低、穩定性差，因此它對風載荷非常敏感，很容易受到卡門渦街的影響。

不過，自塔科馬大橋之后，現代懸索橋在建設前都會考慮抗風振設計，建成后也會安裝橋梁變形實時監測系統，因而行經懸索橋時大可不必恐慌。

除了橋梁，卡門渦街還可能給高樓、煙囪等建筑帶來安全隱患，在中央廣播電視塔、東方明珠電視塔建造前，都曾考慮了卡門渦街的因素。

卡門渦街的妙用

事物總有兩面性，卡門渦街也并非無惡不作，它同樣能夠為人所用。

既然卡門渦街可以對物體施加周期性的作用力，何不用它來發電呢?哈爾濱工程大學的科研人員就設計了這樣一種發電裝置。

他們制作的迎風桶在風的吹拂下可產生卡門渦街，周期性作用于放大板，使其做往復擺動，從而帶動發電機轉子旋轉，切割磁感線產生電流。

此外，人們研究流水中的卡門渦街后進一步發現，在障礙物兩側形成的渦旋交替頻率與被阻塞的流量成正比，因此發明了渦街流量計，用以測量管道內的流量。

如今，渦街流量計已被廣泛應用于工業生產中。