什么原因导致虎门大桥晃动，可能短时间内搞不清楚_风闻

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