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虎门大桥异常抖动的原因找到了,和一个火箭专家有关!
5月5日下午4点30分至5点左右,投资20亿的广东虎门大桥发生异常抖动,目前大桥管理部门已经封闭了大桥。


无独有偶,就在一周前,投资超50亿的武汉鹦鹉洲长江大桥也发生了类似的晃动。

市民反映强烈。

据了解,无论是虎门大桥也好,鹦鹉洲长江大桥也罢出现此种现象并非常见。

不过,从两座桥的桥梁结构看,二者均属悬索桥。

在美国历史上,就有那么一座著名的悬索桥晃动事件:塔科马海峡大桥事件。

这座桥在当时是美国第三大悬索桥,一度被称为“工程界的珍珠港”。

设计师是业界精英,曾先后参与各著名大桥的建造。

建筑工人也兢兢业业,绝不存在偷工减料违规造假。

作为20世纪最严重的工程设计错误之一,它坍塌时却没有造成任何人伤亡。

这是一个所有工程学科教学中都绕不开的经典案例。

在大桥建成前,原本大桥设计的抗风能力号称达到120英里/小时。

但是在大桥吊装合拢完成后,只要有4英里/小时的相对温和的小风吹来,大桥主跨就会有轻微的上下起伏。

然而起伏的现象没有引起人们过多的担心。

桥上施工的工人还发明了咀嚼柠檬这样的办法,来抵御上下颠簸带来的眩晕感。

在他们看来,满足设计要求的塔科马大桥是安全且可靠的。

1940年7月1日,塔科马海峡大桥如期建成通车。

在通车之前,大桥就已经出现遇风摇晃的情况,这吸引了不少民众专门驱车来一探究竟。

而人们很快发现,大桥波动的幅度有点不同寻常。

甚至当人在桥上驾车时,可以见到远处的汽车随着桥面的起伏,一会儿消失一会儿又出现。

工程师们也注意到了这个问题,一些专业人员被派遣到现场进行实地监测。

其后几个月中,桥面的波动幅度不断增加。

大桥管理部门尝试过用捆绑缆绳、安装液压缓冲器的方式去减低波动,减少其对行车的影响,但没有取得成功。

1940年11月7日上午,风儿似乎比以往更要喧嚣一些。

技术人员在7:30测得风速38英里/小时,两小时后达到42英里/小时,大桥出现的波浪形起伏竟达1米多。

毫无预兆下,大桥路面的一侧突然被风掀了起来。

这引起了桥身侧向激烈的扭动,和之前的起伏情况大不相同。

在桥面过于剧烈的波动下

疯狂的扭动使得路面一侧翘起达8.5米,倾斜达到45度。

承受着大桥重量的吊索接连断裂,失去了拉力的桥面就像一条发怒的蟒蛇在空中奋力挣扎。

建成通车仅四个月后,120多米的大桥主体轰然坠入塔科马海峡,激起了一大片烟尘。

大桥最终被摧毁的画面被当地照相馆的老板巴尼·埃利奥特(Barney Elliott)拍摄了下来。1998年,塔科马海峡大桥的坍塌视频被美国国会图书馆选定保存在美国国家电影登记处,这段震撼人心的视频被誉为“在文化、历史和审美学方面有着重要意义”。这段珍贵的电影胶片目前仍然对学习工程学、建筑学和物理学的学生起着警示的作用。

这次事件没有造成人员伤亡。

大桥坍塌后,美国组建了一个事故调查委员会。

其中成员就包括空气动力学家冯·卡门(Theodore von Kármán)。

卡门是匈牙利犹太人,是20世纪最伟大的航天工程学家、火箭专家,被誉为“航空航天时代的科学奇才”。他所在的加利福尼亚理工学院实验室后来成为美国国家航空和航天喷气实验室(即著名的NASA喷气推进实验室JPL), 我国著名科学家钱伟长、钱学森、郭永怀都是他的亲传弟子。

NASA风洞实验室

正是由于卡门的调查,塔科马海峡大桥事故的原因水落石出。

冯·卡门、钱学森、普朗特

刚度——物体抵抗变形的能力

经过加州理工学院风洞内的模型测试后,卡门猜测这场灾难源于一种现象——卡门涡街。

这是一个在自然界广泛存在的现象。

比如在水流中插一根木桩,在特定条件下木桩下游的两侧,会产生两道非对称排列的旋涡。

这两排旋涡旋转方向相反,相互交错排列,就像街道两边的街灯一样。

从太空俯瞰智利海岸的卡门涡街

在这次事故中,桥两边的钢板就像是水流中的木桩。当风形成的高速漩涡不断从桥身两边脱离时,会对桥身产生一个交替的侧向力。

卡门涡街是有规律的周期性现象,也就是说漩涡的形成和侧向力的作用,是具有一定频率的。

塔科马大桥本身也有自己的频率,当两个频率接近的时候便会发生共振。

而发生共振的后果,现在大家都知道了。

经过一番计算和实验,卡门的分析得到了证实。

现在的塔科马大桥遗址上方是两座新的悬索桥,负责连接塔科马与吉格港两地川流不息的车流。

今天,我国载人运载火箭长征5B成功发射,标志着人类迈向太空的目标更进一步。明天(5月6日),是火箭专家冯卡门去世56周年纪念日,让我们向他致以崇高的敬意。

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