神秘流体现象：卡门涡街是什么

  钱学森是我国无人不知无人不晓的科学家、工程师，而天才的学生往往也不会缺少天才的老师，钱学森的导师就是大名鼎鼎的“超声速时代之父”——冯·卡门。

  关于冯·卡门的故事有很多，以他的名字命名的理论、发明、现象也很多，比如说“冯卡门曲线”、“卡门旋成体”、“卡门-钱学森公式”等等，而我们今天要说的，是生活中经常可见的一个现象：“卡门涡街”。

  冯·卡门曾经在德国哥廷根大学任助教的时候，监督学生做了一个很简单的试验：一个流水槽里面放了一个圆柱体，然后让流动的水流流过这个圆柱体。

  试验很假单，但是做试验的时候发现了很大的问题：水流流过圆柱体的时候，圆柱体居然不安分地振动了起来。冯·卡门的老师——更鼎鼎大名的“现代流体力学之父”普朗特对此不以为意，觉得是圆柱体做的不圆，但是冯·卡门却不这么想，他认为是这是流体的流动发生了问题，而不是试验设备产生的误差。

  冯·卡门发现，水流在经过圆柱体的时候，如果速度足够快，就会导致圆柱后水流的流动方向不再是垂直向后，而是会神奇地“摆动”起来，一边带动圆柱体振动，一边在圆柱体后面留下来一个个的漩涡。

  在细致地研究之后，冯·卡门于是从这一现象中总结出流体不稳定流动性，并且将其命名为卡门涡街，还以此为内容写出了他的第一篇论文。从此“卡门涡街”这一个名字成了空气动力学中最为经典的一个概念。

  当我们对固体施加力的时候，固体的形状大体不变。比如说你对一个立方体是施加一个力，这个立方体可能会变长长方体，可能会歪一点儿，但是这个立方体不会变的千疮百孔、七扭八歪。

  同时，固体在外力作用下形状的变化一般来说是“线性”的，随着外力变大，固体的变形也等比例地变大。当我们撤去这个力的时候，物体的形状也往往能够恢复。

  而流体就大不一样了。首先流体就没有稳定的形状，随着外力的变化，流体外部形状就是歪七扭八，而且不单单是外部形状，内部的结构更是像赶集一样热闹，流体的不同部分之间相互摩擦、碰撞、剪切、分离、混合……跟齐齐整整的固体相比，流体的运动规律真的是让科学家伤透了脑筋。

  而卡门涡街这个现象出现的原因，就是跟流体的不稳定性有关。显示出了跟固体完全不一样的性质。

  不要以为卡门涡街只是试验室里面的东西，实际上大自然到处都有“卡门涡街”。比如说当我们从太空中看云层的时候，就经常会发现风吹过巍峨高耸的山峰后，会在下游的云层中形成一个个的漩涡——而这些美丽的漩涡就是卡门涡街。

  再比如说，鱼在水中游动的时候，是利用这种周期脱落的“涡”，从而获得向前的动力——而此现状就叫做“反卡门涡街”。

  卡门涡街很美，但是如果你只是觉得它美、不重视它可能带来的灾难，那么迟早是要受到来自科学之神的惩罚。

  比如说著名的“塔科马海峡吊桥崩塌事故”中，工程师没想到风在吹过桥面的时候会产生卡门涡街现象，而就好像最开始冯·卡门观察到水流流过圆柱体会让圆柱体振动的现象类似，卡门涡街会对桥面产生一个反复的、周期性的外界的力的作用。

  而当这个外力作用的频率达到某一个值的时候，大桥的振动会慢慢的大——这就是我们所说的“共振”现象，于是水泥、钢铁制作而成的大桥居然像面条一样抖动起来，最终彻底崩溃。

  从此，任何建筑物在设计之初就要把建筑物模型放到风洞模型中吹一吹，保证神奇的卡门涡街不会再次让这些建筑物崩塌。

  卡门涡街的出现本质上来源于流体的神奇性质，我们在水中、空气等流体中都会看到此现状。而且，卡门涡街不单单是“美”，更重要的是，这是一种自然科学中客观存在的现象，如果你尊重它、并且运用得当，那么就会如虎添翼，如果你不知道此现状的可怕，那么有很大的可能性无意之中就会让自己的作品毁于一旦。