近日，廣東虎門大橋出現(xiàn)大幅搖晃，瞬間引發(fā)網(wǎng)友們熱議。其實(shí)早在4月26日，武漢鸚鵡洲長江大橋像波浪一樣起伏，就曾嚇煞一眾路人。

虎門大橋大幅擺動，圖自央視網(wǎng)新聞

圖自交通發(fā)布

作為中國自行設(shè)計建造的第一座現(xiàn)代化特大型懸索橋，虎門大橋被認(rèn)為是我國二十世紀(jì)橋梁建設(shè)領(lǐng)域的最高成就，其建成通車不過二十年，按照我國橋梁建設(shè)動輒一百年的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，基本可排除存在設(shè)計缺陷的可能性。其實(shí)，鸚鵡洲長江大橋和虎門大橋的擺動都與風(fēng)有關(guān)，罪魁禍?zhǔn)渍秋L(fēng)產(chǎn)生的卡門渦街。

下面讓我們一起來了解一下這個神奇的卡門渦街吧！

01卡門渦街是什么鬼？

如果徜徉在小橋流水間，你一定會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(xiàn)出兩組交替的小漩渦向下游運(yùn)動，比如這樣：

卡門渦街示意圖

類似上面這種流體繞過物體時產(chǎn)生兩排交錯渦旋的現(xiàn)象，在流體力學(xué)中被稱為卡門渦街，最初由錢學(xué)森的導(dǎo)師—;—;馮·卡門發(fā)現(xiàn)并命名。至于為何兩排渦旋不對稱，至今仍是困擾流體力學(xué)家的一個迷。

日常生活中，當(dāng)風(fēng)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(chǎn)生作用力，橋面就隨之振動起來。不過，由于橋面通常設(shè)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(jìn)行維護(hù)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(chǎn)生顯著起伏也就不足為奇了。

虎門大橋橋面放置的隔離擋板改變了大橋氣動外形

02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(jīng)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(fēng)中發(fā)生強(qiáng)烈擺動，振動幅度一度達(dá)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(dāng)時的橋梁界，此后橋梁模型風(fēng)洞測試被納入橋梁試驗(yàn)中，橋梁的風(fēng)致振動問題也發(fā)展成為一門新興學(xué)科。

值得一提的是，卡門渦街似乎對懸索橋情有獨(dú)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(shè)置橋墩，可以造得很高，常用于跨水大橋的設(shè)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(wěn)定性差，因此它對風(fēng)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(xiàn)代懸索橋在建設(shè)前都會考慮抗風(fēng)振設(shè)計，建成后也會安裝橋梁變形實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，因而行經(jīng)懸索橋時大可不必恐慌。

懸索橋是卡門渦街最為偏愛的橋梁

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。

03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?yàn)槿怂?。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(fā)電呢？哈爾濱工程大學(xué)的科研人員就設(shè)計了這樣一種發(fā)電裝置。他們制作的迎風(fēng)桶在風(fēng)的吹拂下可產(chǎn)生卡門渦街，周期性作用于放大板，使其做往復(fù)擺動，從而帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，切割磁感線產(chǎn)生電流。

此外，人們研究流水中的卡門渦街后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在障礙物兩側(cè)形成的渦旋交替頻率與被阻塞的流量成正比，因此發(fā)明了渦街流量計，用以測量管道內(nèi)的流量。如今，渦街流量計已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

渦街流量計原理示意

看到這里

你是不是對卡門渦街有了一個更全面的認(rèn)識呢?

這種神奇的現(xiàn)象

催生了一門新的學(xué)科

也同樣能夠被人類所利用哦~

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