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硬核科普:是什么导致了虎门大桥振动,卡门涡街?

作者: 中国物理学会期刊网

时间: 2020-05-07 12:16

据广东省公安厅交管局的消息,2020年5月5日下午3点30分左右,由于风速大,虎门大桥出现摇晃,为确保安全,虎门大桥现已封桥,不能通行。

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目前,大量车辆涌入虎门威远,虎门交警已调派大量警力在现场指挥疏导交通,分流车辆向莞佛高速、沿江高速行驶。

专家组初步判断,虎门大桥悬索桥本次振动的主要原因是:沿桥跨边护栏连续设置水马,改变了钢箱梁的气动外形,在特定风环境条件下,产生了桥梁涡振现象。

网友拍摄视频:

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据网友和新闻说当时风速很大,是风导致卡门涡街振动。那么什么是卡门涡街,它有什么样子的危害呢?

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卡门涡街发现者

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冯·卡门(Theodore von Kármán 1881~1963)

1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯

1963年5月6日卒于德国亚琛

美籍匈牙利力学家

近代力学的奠基人之一

是钱学森、钱伟长、郭永怀和林家翘的导师

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大家了解卡门涡街了吗?小编今天将与大家一起走进马宏伟教授的课堂一起来认识卡门涡街。

美国华盛顿州的Tacoma Narrow桥,于1940年7月建成,全长:1810.2米,最大跨度:853.4米。是当时世界上最长的悬索大桥。1940年11月7日在42英里/小时(相当于20m/s)风速的作用下,导致桥面折断坠落到峡谷中。大家来看看发生了什么吧。

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Question:

Tacoma Narrow桥的桥面是水平的,风也是水平吹过来的,为什么会发生上述扭转的摆动,导致最后桥的坍塌呢?

Answer:

由于在风的作用下产生的卡门涡街,涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。

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如上图所示,把桥作为一个横断面,风沿着水平方向吹过来,为什么却出现了扭转摆动的情况?实际上,这是由于在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡,这个涡离开以后,另一边又产生了一个涡,这些涡上下交替出现,使得桥不断的摆动,并且摆的幅度越来越大,当和桥的共振频率、扭转频率一致时,桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。

卡门涡街定义

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卡门涡街是流体力学中重要的现象,在自然界中常可遇到。在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反排列规则的双列线涡,经过非线性作用后,形成卡门涡街,如水流过桥墩,风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等都部会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮,有时可当作为艺术品来欣赏。

举个例子,下图一个轴对称的圆形物体受到风的作用,如果风的速度小于某个值,它的流线如下图(a)所示;随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋(如下图(b)),这个涡旋会脱落,每次脱落的时候它都会交替的出现,尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化,最后出现下图(d)(e)的情况。

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其实生活中常用的工具就能观察到卡门涡街,只需要一个吹风机和一个小纸条就能够做到(详细演示可见视频),步骤如下:

① 首先,把小纸条在无风处竖直放置,观察到纸片是静止的。

② 然后,将吹风机调至低风速档,将纸片放在吹风机下面,风从纸片正上方往下吹,先将纸片放离吹风口远一点的位置,纸片还是基本静止的;慢慢靠近风口,由于实验存在误差,纸片会有一点微小的摆动,但是纸片的振幅不会太大。由此可以观察到当风速比较低时,纸片基本上还是静止的。

③ 最后,把吹风机打到高风速挡,这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大,后头尾巴会明显摆出,这也就是卡门涡街。

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如图卫星拍摄到的大气中的卡门涡街

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如果条件允许大家也可以与小伙伴一起完成这个实验,一起体验一下卡门涡街。

附:参考文献

1.王振东. 漫话卡门涡街及其应用[J]. 力学与实践, 2006, 28(1):88-90.

2.唐静静,范钦珊 — —《工程力学》(静力学和材料力学)第3版

本文内容经授权转载自:中国物理学会期刊网,感谢原作者的分享。

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