大橋搖晃與風産生的卡門渦街有關，它不但可毀壞橋梁，還能用于發電。

最近，“基建狂魔”種花家的氣溫高了，就連大橋似乎也有些“飄”了。4月26日，武漢鹦鹉洲長江大橋像波浪一樣起伏，吓煞一衆路人。一波未平一波又起，5月5日，廣東虎門大橋也出現大幅搖晃，瞬間引發網友們熱議。

作為中國自行設計建造的第一座現代化特大型懸索橋，虎門大橋被認為是我國二十世紀橋梁建設領域的最高成就，其建成通車不過二十年，按照我國橋梁建設動辄一百年的規劃标準，基本可排除存在設計缺陷的可能性。其實，鹦鹉洲長江大橋和虎門大橋的擺動都與風有關，罪魁禍首正是風産生的卡門渦街。

虎門大橋大幅擺動，圖自央視網新聞

卡門渦街是什麼鬼？

如果徜徉在小橋流水間，你一定會發現，當河水流速較快時，水流在遇到橋墩後會被分成兩股繞行。奇妙的是，兩股水流并不對稱，而是呈現出兩組交替的小漩渦向下遊運動，比如這樣：

類似上面這種流體繞過物體時産生兩排交錯渦旋的現象，在流體力學中被稱為卡門渦街，最初由錢學森的導師——馮·卡門發現并命名。至于為何兩排渦旋不對稱，至今仍是困擾流體力學家的一個迷。

日常生活中，當風吹過橋面時大多都會形成卡門渦街，兩組周期性的、交替變化的渦旋分别對橋面上下産生作用力，橋面就随之振動起來。不過，由于橋面通常設計成流線型，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行維護時，在橋面上放置了一排隔離擋闆。這些一米多高的小家夥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緻而形成共振，橋面産生顯著起伏也就不足為奇了。

虎門大橋橋面放置的隔離擋闆改變了大橋氣動外形（圖片來源：央視網新聞）

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中發生強烈擺動，振動幅度一度達到驚人的9米，随後橋梁轟然垮塌墜入海中。後來的研究表明，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時的橋梁界，此後橋梁模型風洞測試被納入橋梁試驗中，橋梁的風緻振動問題也發展成為一門新興學科。

塔科馬大橋垮塌瞬間（圖片來源：搜狐）

值得一提的是，卡門渦街似乎對懸索橋情有獨鐘，鹦鹉洲長江大橋、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置橋墩，可以造得很高，常用于跨水大橋的設計中，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、穩定性差，因此它對風載荷非常敏感，很容易受到卡門渦街的影響。不過，自塔科馬大橋之後，現代懸索橋在建設前都會考慮抗風振設計，建成後也會安裝橋梁變形實時監測系統，因而行經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（圖片來源：中資路橋）

除了橋梁，卡門渦街還可能給高樓、煙囪等建築帶來安全隐患，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。

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，它同樣能夠為人所用。既然卡門渦街可以對物體施加周期性的作用力，何不用它來發電呢？哈爾濱工程大學的科研人員就設計了這樣一種發電裝置。他們制作的迎風桶在風的吹拂下可産生卡門渦街，周期性作用于放大闆，使其做往複擺動，從而帶動發電機轉子旋轉，切割磁感線産生電流。

此外，人們研究流水中的卡門渦街後進一步發現，在障礙物兩側形成的渦旋交替頻率與被阻塞的流量成正比，因此發明了渦街流量計，用以測量管道内的流量。如今，渦街流量計已被廣泛應用于工業生産中。

渦街流量計原理示意（圖片來源：instrumentationtools）

作者：朱磊

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