什么原因導致虎門大橋晃動，可能短時間內搞不清楚

來源：@科普君XueShu雪樹

虎門大橋最近的擺動視頻在網上熱傳，如下圖，初步分析是由渦振導致的。

所謂渦振就是渦旋導致的振動。

渦旋是怎么產么產生的？一個主要可能原因是卡門渦街。水或風等流體，流過一個物體的時候，正常來講是比較平滑順暢的，就像下圖中的云流過富士山一樣。

但是滿足一定條件的特殊情況下，會產生兩種旋轉方向相反的渦旋，不斷發射出去，并列在一起。像是一條街道。如下圖。

這就是卡門渦街。這里的卡門就是馮卡門，錢學森在美國的導師。這個現象幾百年前就有人發現了，但是馮卡門第一次給出了正確的理論分析。

這個渦街如果不太對稱，就會導致某種受力不均勻，從而擺動。這個擺動的方向是和水流或風速的方向垂直的。

美國的塔科馬大橋在上世紀40年代被風吹塌了，這是工程史上的大災難。有人解釋是因為卡門渦街。但這個解釋很有爭議。你看虎門大橋是垂直的擺動，而下圖中的塔科馬大橋是左右扭動。

更好的解釋是氣動彈性顫振。這種顫振也會在橋面上下產生渦旋，但是跟卡門渦街有區別，因為被風吹過的物體（大橋本身）也在大幅度運動。如下圖。

科馬大橋平時也會有類似虎門大橋的垂直擺動，但不致命。致命的是最后一次的左右扭動。

塔科馬大橋這種級別的致命錯誤，現在是很難出現了。在橋梁設計允許范圍內的上下擺動，應該是沒危險的。

虎門大橋這次擺動，從目前流出的信息看，專家只猜測說可能是大橋中間的水馬安放不當導致的，而且還很不確定。這種說法就很有意思了。如果是水馬（如下圖），那它們所直接引起的卡門渦街不足以帶動整個大橋。而這又明顯不是左右扭動的振顫。

如果確實與水馬有關，也許因為大風吹過水馬后，在周邊形成了渦旋，這些渦旋改變了周圍的氣壓。導致大橋上下形成壓力差，引起垂直擺動，但又不足以引起振顫。當然，這里只是隨手一猜，缺乏數據支持和理論驗證。不過這個問題本身，可以做一篇博士論文了。理論建模、數值模擬和風洞實驗，夠一個博士生折騰幾年了。

具體這次是由什么原因導致的，我猜可能最后大概率沒法短期內得出確定結論。原因可能跟工程問題的復雜性和工程師文化有關。他們一般不像物理學家那樣愛鉆牛角尖。一個東西能work，就很滿意了。

美國塔科馬大橋，這么慘重的災難，按理說原因應該搞得很清楚了吧。其實不然，災難發生五十年后，兩個物理學家Billah 和Scanlan發現，絕大多數大學工程學教科書上的解釋都是明顯錯誤的。六十年后，Allan Larsen才建立了一個被實驗和數值模擬都支持的靠譜物理模型。

塔科馬大橋，在最后一次倒塌前，經歷了次數極多的上下垂直振動。最后一次大幅度的左右扭動，也晃了45分鐘才塌。所以目前虎門大橋這種情況，可能屬于小概率事件，可以先進一步觀察，不必太過大動干戈。

生活中很多事情都是沒必要非得尋根究底的。

就像一個段子說的，搞理論的，know everything but nothing works，搞實踐的，everything works but no one knows why.。

參考資料：

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