钢筋水泥的海峡大桥怎么会轻易被风吹毁？这就是卡门涡街的威力

  钢筋混凝土建造的桥梁非常坚固，尤其是那些集各种“黑科技”于一体的跨海大桥，可以抵御强台风。

  比如说我们的港珠澳大桥，设计的最大抗风能力是16级，也就是说即使是16级的台风也奈何不了。那么，如果有海峡大桥被普通风吹倒，那是什么原因呢？我们的第一个想法是桥梁存在质量上的问题。但实际上有这么一座桥，从设计到施工都没问题，只是在建成四个月后就被风轻易毁坏了。这座桥就是“塔科马海峡大桥”。这座桥自建成以来就一直在微风中摇摆不定，但人们没想到，这样一座无显著质量上的问题的桥，最后真的会倒塌。

  为什么塔科马海峡大桥会被风吹毁？这源于一种称为“卡门涡街”的流体动力学现象。

  什么是卡门漩涡街？假设现在有一条笔直的河流，河流平稳地往前流。如果我们在河中央插入一根圆木，会发生啥？我们一般会给出这样的回答：河流会因为原木的阻挡而分叉，一部分会从原木的左侧流出，一部分会从原木的右侧流出。水流会再次汇聚，继续顺畅地向前流动。这是一种想当然的回答，但又符合我们的常识和逻辑，所以不仅我们这么认为，冯·卡门的恩师路德维希·普兰特也是如此。

  为了研究层流现象，普朗特让他的学生做了一个类似木头的装置，插在小河的中间，但无论怎么改进，都没有表现出想象中的情况水流分叉然后汇合。

  普朗特认为实验装置的制作并不完美，但冯卡门却有自己的看法。冯·卡门通过观察发现，水流受到圆木的阻碍后，流经圆木后会形成交错推进的涡流。简单的描述就是水流先从原木的左侧快速通过，通过后形成一个向下的涡流，然后水流快速通过原木的右侧，将第一个形成的涡流推开，然后形成一个向上的漩涡。这样，水流交替通过原木的两侧，形成一个漩涡，又会被新形成的漩涡推开。冯·卡门将此现状称为“卡门涡街”。

  为什么圆木会震动？这是由于“伯努利原理”。伯努利原理指出，在流动的液体或气体中，流体流动越快，压力越低，反之，流动越慢，压力越大。当卡门涡街现象发生时，水首先从圆木的左侧快速流出。此时日志左边的流速快，所以压力小，而右边的流速慢，所以压力大，所以日志会往Push到左，然后水很快流过圆木的右侧，所以右边的压力小，而左边的压力大，所以圆木又会被推到右边。在这种左右力的相互作用下，圆木就会产生振动。

  塔科马大桥是一座非常壮观的海峡大桥。全长1524米，桥面宽度只有11.9米。可以说整座桥又细又长，这也是以后会被风吹走的原因。废墟埋下了第一个隐患。

  悬索桥大多数都会在桥的两侧安装桁架梁，这是一种基本配置，塔科马海峡大桥也不例外。原设计中确实有7.6米的桁架梁，但由于资金紧张，著名悬索桥设计师Moisef将其改为2.4米的钢板。Moisef认为，这样的改变不但可以大大降低桥梁的建造成本，还能增加桥梁的刚度。毋庸置疑，Moisef的意见是完全正确的，只是他忽略了桁架梁的特性是“通风”，而钢板是不透水的。

  大桥建成后不久，桥两侧的钢板挡住了气流的通过，于是出现了卡门涡街现象，大桥从建成开始就不停地摇晃。

  桥在晃动，但人们并不认为有危险。相反，它成为了一个旅游胜地。直到4个月后，由于大桥晃动时间过长，断了一根钢索，大桥停止晃动，转而扭动，最终倒塌。桥梁坍塌后，对整个桥梁坍塌事故进行了调查，发现从设计到施工都没问题，于是决定按原计划再建一座。而这样一个时间段，冯卡门也注意到了这件事，并且进行了盘算，计算根据结果得出，大桥坍塌是不可避免的，于是他赶紧写了一封信，以防止同样的错误再次发生。