终于理解风遁·螺旋手里剑的原理

华夏茶艺

@科普君 XueShu 雪树
虎门大桥最近的摆动视频在网上热传，图 1 图 2，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，就像图 3 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。如图 4。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，而图 5 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。如图 6。塔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（如图 7），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.。
# 虎门大桥发生异常抖动 #
# 广东虎门大桥全面检查 #
参考资料：
Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics textbooks
K. 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