什么原因导致虎门大桥晃动
可能短时间内搞不清楚赤道转向发动机这里是苏拉威西3号地球转向发动机 。 昨天 20:34授权转载自微博@科普君XueShu雪树虎门大桥最近的摆动视频在网上热传 ， 如下图 ， 初步分析是由涡振导致的 。
所谓涡振就是涡旋导致的振动 。涡旋是怎么产么产生的？一个主要可能原因是卡门涡街 。 水或风等流体 ， 流过一个物体的时候 ， 正常来讲是比较平滑顺畅的 ， 就像下图中的云流过富士山一样 。
但是满足一定条件的特殊情况下 ， 会产生两种旋转方向相反的涡旋 ， 不断发射出去 ， 并列在一起 。 像是一条街道 。 如下图 。
这就是卡门涡街 。 这里的卡门就是冯卡门 ， 钱学森在美国的导师 。 这个现象几百年前就有人发现了 ， 但是冯卡门第一次给出了正确的理论分析 。这个涡街如果不太对称 ， 就会导致某种受力不均匀 ， 从而摆动 。 这个摆动的方向是和水流或风速的方向垂直的 。美国的塔科马大桥在上世纪40年代被风吹塌了 ， 这是工程史上的大灾难 。 有人解释是因为卡门涡街 。 但这个解释很有争议 。 你看虎门大桥是垂直的摆动 ， 而下图中的塔科马大桥是左右扭动 。
更好的解释是气动弹性颤振 。 这种颤振也会在桥面上下产生涡旋 ， 但是跟卡门涡街有区别 ， 因为被风吹过的物体（大桥本身）也在大幅度运动 。 如下图 。
科马大桥平时也会有类似虎门大桥的垂直摆动 ， 但不致命 。 致命的是最后一次的左右扭动 。塔科马大桥这种级别的致命错误 ， 现在是很难出现了 。 在桥梁设计允许范围内的上下摆动 ， 应该是没危险的 。虎门大桥这次摆动 ， 从目前流出的信息看 ， 专家只猜测说可能是大桥中间的水马安放不当导致的 ， 而且还很不确定 。 这种说法就很有意思了 。 如果是水马（如下图） ， 那它们所直接引起的卡门涡街不足以带动整个大桥 。 而这又明显不是左右扭动的振颤 。
如果确实与水马有关 ， 也许因为大风吹过水马后 ， 在周边形成了涡旋 ， 这些涡旋改变了周围的气压 。 导致大桥上下形成压力差 ， 引起垂直摆动 ， 但又不足以引起振颤 。 当然 ， 这里只是随手一猜 ， 缺乏数据支持和理论验证 。 不过这个问题本身 ， 可以做一篇博士论文了 。 理论建模、数值模拟和风洞实验 ， 够一个博士生折腾几年了 。具体这次是由什么原因导致的 ， 我猜可能最后大概率没法短期内得出确定结论 。 原因可能跟工程问题的复杂性和工程师文化有关 。 他们一般不像物理学家那样爱钻牛角尖 。 一个东西能work ， 就很满意了 。美国塔科马大桥 ， 这么惨重的灾难 ， 按理说原因应该搞得很清楚了吧 。 其实不然 ， 灾难发生五十年后 ， 两个物理学家Billah 和Scanlan发现 ， 绝大多数大学工程学教科书上的解释都是明显错误的 。 六十年后 ， Allan Larsen才建立了一个被实验和数值模拟都支持的靠谱物理模型 。塔科马大桥 ， 在最后一次倒塌前 ， 经历了次数极多的上下垂直振动 。 最后一次大幅度的左右扭动 ， 也晃了45分钟才塌 。 所以目前虎门大桥这种情况 ， 可能属于小概率事件 ， 可以先进一步观察 ， 不必太过大动干戈 。生活中很多事情都是没必要非得寻根究底的 。就像一个段子说的 ， 搞理论的 ， know everything but nothing works ， 搞实践的 ， everything works but no one knows why. 。参考资料：Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics textbooksK. Yusuf Billah and Robert H. Scanlan ，Am. J. Phys. 59, 118 (1991);Allan Larsen ， Aerodynamics of the Tacoma Narrows Bridge - 60 Years Later ， Structural Engineering International免责声明以上内容为用户在观察者网风闻社区上传并发布 ， 仅代表发帖用户观点 。
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