卡门涡街：随风摇曳的景象

当空气或水等流体流经一个障碍物时，比如一棵树或一条绳索，它的后面会形成涡流。通常，如果你观察生长在流动十分缓慢的河中的一株芦苇或菖蒲，就会发现涡流会先在一边形成，然后是另一边，如此交替。其结果是流体压强会发生有节奏的变化，从障碍物的一侧变到另一侧。这样一种涡流的交替或“街道”被称为“卡门涡街”，以空气动力学家冯·卡门的名字命名，他第一个描述了这一现象。我们通常很容易在平滑的水面上看到涡流，但空气中的涡流是看不见的，除非它们被烟、枯叶或某些类似的指示物显示出来。然而，事实上，完全相同的卡门涡街会发生在空气流经一面旗帜、一棵树或一根电线时。这些交替的涡流先作用于障碍物的一侧再作用于其另一侧，结果是旗帜迎风飘扬，树木随风摇曳，电线在风中嗡嗡作响。因此，帆绳一松，帆就会四下翻飞，极有可能被撕裂或伤及旁人。我见过一个人被滑脱的帆绳打昏过去，其中牵涉了大量能量。当一艘大船在微风中曲折前行时，噪声会如枪炮声般响亮，令人印象深刻。

如果涡流提供的气动刺激频率恰好与障碍物的一个自然振动周期一致，那么运动的幅度可能会增大到使有些东西发生断裂。正是这类现象而非稳定的风压，通常导致树木被吹倒。在飞机和悬索桥上，这种情况也极易以某种更复杂的形式发生。让结构具备足够的刚性，尤其是抗扭刚度，就能够防止这种情况。我们已经讨论过，通常支配现代飞机设计和结构重量的是对抗扭刚度的要求。

虽然特尔福德的梅奈悬索桥在建成后不久便因遭风振而严重受损，但这一危险的实质要在大约一个世纪之后才被桥梁设计师正确解释。1940年，典型的灾难发生在美国的塔科马海峡大桥上。这座桥的跨度为2800英尺（约840米），并不具备足够的抗扭刚度。因此，即便是在四级风中，它的摇摆程度也足以令当地人将其命名为“舞动的格蒂”。建成后不久，在风速只有42英里/小时的情况下，它竟然剧烈摇摆以致轰然坍塌。碰巧现场有人带着摄影机和胶片，拍下了整个过程。购买这段影像到头来肯定是一笔不错的投资，因为此后世界上几乎每个工科学校都会反复播放它（见插图20）。(www.xing528.com)

因此，现代悬索桥要建造得具备足够高的刚度，尤其是抗扭刚度。就像对飞机来说一样，刚度的要求占据桥梁重量的很大比例。例如，对赛文悬索桥（见插图12）来说，其桥面是用一根非常巨大的钢管铺成的，钢管截面为扁平的六边形，由低碳钢板制成。在建造施工期间，这根钢管是分段输送的，吊装到位后，再焊接成一个连续的结构。