為什麼風能吹垮塔科馬海峽大橋?

塔科馬海峽大橋因卡門渦街引發共振坍塌,軍隊齊步過橋、秋千擺動亦同理,此後工程設計需經風洞驗證安全性。

為什麼風能吹垮塔科馬海峽大橋?

塔科馬海峽大橋位於美國西北部的華盛頓州,橫跨塔科馬海峽。這座全長853公尺的懸索橋於1940年7月1日建成通車。它建成時就出現了隨風搖擺的現象,司機在橋上行駛時可以明顯感覺到橋的擺動。因此,大橋被當地居民起綽號叫「舞動的葛蒂」。當年11月7日大橋發生劇烈晃動而坍塌,所幸沒有人在事故中喪生。當時,世界著名的空氣動力學家、古根漢航空實驗室主任馮卡門是事故調查小組的成員。他在加州理工學院的風洞實驗中證明,導致鋼筋鐵骨的大橋發生垮塌的原因竟然是當時速度不到20公尺/秒的風!

空氣動力學的研究表明,當風橫吹過大橋時,在一定的風速範圍內,越過大橋的氣流會週期性地產生兩串平行反向渦旋, 即所謂的「卡門渦街」。當每個渦旋從被繞的物體表面分離時,物體就會受到一個作用力,連續渦旋的出現會對橋樑產生週期性的作用力,當作用力的頻率與大橋振動的固有頻率接近時,就會產生共振。這時大橋擺動的幅度越來越大,最後導致大橋垮塌。這次嚴重事故的出現使得橋樑工程在結構設計中開始認識到空氣動力學的重要,此後所有的大橋以及超高層建築的設計方案都必須經過風洞模型實驗的安全驗證。

類似的情況也會出現在大隊人馬以整齊的步伐通過一座橋樑時。如果齊步產生的相同週期性的作用力頻率接近或等於橋樑振動的固有頻率時,橋樑也會因共振而垮塌。 1905年,一支俄羅斯帝國的軍隊在齊步通過彼得堡附近的豐坦卡河大橋時,就導致了大橋垮塌的悲劇。

另一個人生常見的例子是,鞦韆擺動的頻率如果與盪鞦韆人所施加的作用力頻率一致,鞦韆就會越盪越高,反之鞦韆就很難盪得很高。