虎门大桥振动的原因是什么？你看我在第二层，其实我在第五层 | 袁岚峰_风闻

导读

借这个时机科普卡门涡街，很好，非常好。唯一的问题在于，这个解释是——错的。塔科马大桥倒塌和虎门大桥振动的原因，并不是卡门涡街导致的共振，而是另有更深入的原因。你看我在第二层，其实我在第五层！

2020年5月5日，广东虎门大桥发生明显的振动。5月15日，虎门大桥恢复了交通，不过继续禁止货车和40座及以上客车通行。

虎门大桥恢复通车！3分钟了解虎门大桥振动事件始末，来源：新京报

这也成为了一次科普的良机。许多专业人士说，振动的原因是“卡门涡街”。许多人绘声绘色地讲述了1940年塔科马大桥倒塌的故事，说这是因为卡门涡街导致的共振。

这里的卡门不是歌剧里的吉普赛女郎卡门，而是钱学森的博士导师、空气动力学大师冯·卡门（Theodore von Kármán，1881 - 1963）。

歌剧《卡门》视频版

歌剧《卡门》

冯·卡门

我以前介绍过（我们都知道钱学森的伟大精神，那么他的贡献有多强？| 科技袁人）

《我们都知道钱学森的伟大精神，那么他的贡献有多强？| 科技袁人》视频版

1945年，二战结束的时候，冯·卡门领衔写了一份报告，准确地预测了空战的基本趋势，指导了以后几十年美国空军的发展。钱学森也参与了这项工作，写了6份专题报告。所以钱学森回国后，能为中国的两弹一星工程提供全局性的指导。这师徒两人不是一般的科学家，而是战略科学家！

1944年12月，美国空军冯·卡门顾问团在华盛顿五角大楼会议会 主席座位上为冯·卡门，后排站立者左二为钱学森（钱学森和冯·卡门1945年的秘密中国行 | 科学春秋）

钱学森

让我们回到虎门大桥。借这个时机科普卡门涡街，很好，非常好。唯一的问题在于，这个解释是——错的。塔科马大桥倒塌和虎门大桥振动的原因，并不是卡门涡街导致的共振，而是另有更深入的原因。你看我在第二层，其实我在第五层！

下面，我们来稍微解释一下。

塔科马大桥位于美国华盛顿州，1940年7月1月建成通车。4个月后的11月7日，一场速度19米/秒、相当于八九级的风，居然就把它吹得摇摇欲坠，最大扭角达到35度。剧烈振动70分钟后，大桥坍塌了（冯卡门也犯错？大桥振动和卡门涡街到底什么关系？|  气动弹性力学与流动控制）。这场灾难被称为20世纪最严重的工程设计错误之一。幸运的是，桥上的人都及时逃生，无人死亡。

当时正好有好莱坞的团队在那里拍电影，大桥抢了主角的戏。于是他们把桥梁摇晃和倒塌的过程拍了下来，成了宝贵的一手资料（引发虎门大桥振动的“卡门涡街”的启示：伟大的发现往往与应用无关 | 王育人）。

 

塔科马大桥摇摆

塔科马大桥坍塌

冯·卡门提出，事故的原因是卡门涡街导致的共振。由于冯·卡门的崇高名望，这很快成了公认的解释。

什么叫做卡门涡街呢？专业的定义是：在一定条件下的定常来流绕过钝型物体时，物体两侧会周期性地交替脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡（冯卡门也犯错？大桥振动和卡门涡街到底什么关系？|  气动弹性力学与流动控制）。用日常语言说，就是流体经过障碍后，会形成两串旋转方向相反的旋涡。看图就很容易理解了。

从空中俯瞰云团流过岛屿形成的卡门涡街

数值模拟的卡门涡街

这个现象是在1911年，由冯·卡门的博士导师、也就是钱学森的师祖普朗特教授的研究组发现的。冯·卡门在理论上找到了原因，所以叫做卡门涡街。

1945年5月，在德国哥廷根大学，美国空军顾问团成员冯·卡门、钱学森审讯路德维希·普朗特教授（钱学森和冯·卡门1945年的秘密中国行 | 科学春秋）

冯·卡门对塔科马大桥坍塌的解释是：这两串旋转方向相反的旋涡以一定的频率拍打桥梁，这个频率刚好跟桥梁自身振动的固有频率相近，于是发生了共振。振幅越来越大，最后桥梁就坍塌了。

这个解释听起来很合理，所以直到九十年代，都是教科书中的标准解释，作为共振的典型案例。

教科书中将卡门涡街作为塔科马大桥振动的解释（冯卡门也犯错？大桥振动和卡门涡街到底什么关系？|  气动弹性力学与流动控制）

咦，九十年代之后发生了什么？

之后发生的事情，是工程师们不满足于这种定性的解释，而是希望在风洞中重现塔科马大桥的共振。然后他们发现，塔科马大桥的固有扭转频率大约是0.2 Hz，而卡门涡街的频率大约是1 Hz，两者并不相近！这根本不是共振嘛！

所以，九十年代以后的教科书都改了，指出塔科马大桥坍塌的原因是颤振，而不是共振。

在Dowell教授（美国工程院院士，现代气动弹性力学奠基人）2013年的著作A  Modern Course in  Aeroelasticity中写到：“Scanlan教授指出，一些物理教科书将塔科马大桥的倒塌归结为涡激共振的观点是错误的，实质上是由于颤振，这是两个截然不同的现象。”（冯卡门也犯错？大桥振动和卡门涡街到底什么关系？|  气动弹性力学与流动控制）

什么叫做颤振呢？

无人机发生颤振解体

滑翔机发生非线性颤振

我的朋友、流体力学研究者、西北工业大学航空学院副院长张伟伟教授最近写了一篇文章，标题叫做《冯卡门也犯错？大桥振动和卡门涡街到底什么关系？》，对此做了深入的分析。

卡门涡街确实发挥了作用，但不是共振，而是导致桥梁的某个振动模式自激放大。专业一点说，这个振动模式能够从流体中吸收能量，具有发散的倾向。卡门涡街的出现，诱导了这个发散的振动模式，振幅越来越大，最后就断裂了。

打个比方，卡门涡街好比一个健身操教练。以前的解释是，你直接模仿这个教练的一举一动，运动起来了。现在的解释是，这个教练激发了你内在的动力，你运动起来了，还带动她和你一起运动。有兴趣深入了解的观众，请阅读张伟伟老师的原文。

你是我的小呀小苹果

顺便说一句，有人说虎门大桥的钢索断裂、主缆腐蚀严重，痛骂豆腐渣工程。工作人员指出，这是2019年检修时发现的（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1666361467914948209），已经处理过了，并不是今年的事，当然也不是今年振动的原因。

今年振动的原因，正是上面说的“健身操教练激发你内在的动力”（虎门大桥今天恢复交通，振动原因正式公布）。以后谁再跟你说，塔科马大桥坍塌和虎门大桥振动是因为共振，你就可以指出他的错误了。你看我在第二层，其实我在第五层！

最后，这个故事对我们有什么启发？这说明科学不受任何权威的束缚，即使是冯·卡门这样的大师。没有任何东西是金科玉律，今天认为是真理的，明天就可能在新的证据面前修正。

欢迎大家关注我们的账号“科技袁人”。能够不断进步，突破自己，这正是科学的魅力所在，正是科学比宗教、迷信和各种陈词滥调高明的地方。