以下文章来源于中科院高能所 ,作者2020-5-6
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撰文:Arthas
审核:李嘉良
五一假期的最后一天,虎门大桥桥面发生明显振动
据央广网报道,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。
这个红色的障碍物就是水马,这种在我们生活中普通到不能再普通的东西
什么是涡振,涡振实际上是涡旋引起共振的简称。涡旋是怎么来的?共振又是什么呢? 不要急,接着往下看。
共振
我们可以来想像一下,假如有一个周期性摆动的单摆,如果我们不施加引力之外的外力,这个单摆就会进行非常有规律的摆动,摆动的周期可以用如下公式来描述
其中L为摆的线长,g为当地的重力加速度,周期和频率互为倒数关系,因此我们可以看出摆的频率只和自身特性与自然常数有关,无论振幅多大,相同线长在同一地点的单摆都有相同的频率,这时我们可以称这种频率为单摆的固有频率。
但此时单摆并未受到除重力以外的外力作用(日常忽略空气阻力),如果我们施加一个周期性的外力,此时单摆的振幅便和外力的频率有关了,当外力的频率和单摆的运动频率一致时,单摆时刻都受到与运动方向相同的外力,此时的单摆被外力大幅度强化,会突破自己原本振动的振幅,振幅变大。
从视频中我们可以看到,最初摆动的单摆就是我们所说的周期性外力,一个给系统的外部激励,而受到这个外部激励影响最大的就是它线长最为相近的单摆,因为它们拥有相近的固有频率,在外部激励的作用下,原本振幅极小,看似静止的单摆振幅越来越大,受到影响最大的就是与外部激励固有频率最相近的单摆。
从上我们可以总结一个结论,单摆的振幅在存在外部激励时,是与外部激励的频率有关的,单摆的固有频率与外部激励的频率越接近,振幅增大越明显,当固有频率与外部激励频率相等时,振幅达到最大,这就是共振。
其实不仅单摆会有共振现象,一切物体都是在不停的振动中的,包括看似坚固的大桥,其实大桥发生共振并不少见。
19世纪初,一队拿破仑士兵在指挥官的口令下,迈着威武雄壮、整齐划一的步伐,通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时,桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌,造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查,造成这次惨剧的罪魁祸首,正是共振!
不仅仅一队步伐整齐划一的人马可以引起大桥的共振,看似柔和的风其实也会,比如美国的塔科马海峡大桥也是受害者之一。
共振不仅仅会使建筑物受到损伤,对人类来说也可能造成巨大的危害,比如次声波所产生的共振。次声波的声波频率很低,一般均在20赫兹以下,波长却很长,不易衰弱。次声波的这种现象引起了军事专家的高度重视,一些国家利用次声波的性质进行次声波武器的研制,已研制出次声波枪和次声波炸弹。不论是次声波枪还是次声波炸弹,都是利用频率为16—17赫兹的次声波,与人体内的某些器官发生共振,使受振者的器官发生变形、位移或出血,从而达到杀伤敌方的目的。现代科学研究已经证明,大量发射的频率为16—17赫兹的次声波会引起人体无法忍受的颤抖,从而产生视觉障碍、定向力障碍、恶心等症状,甚至还会出现可导致死亡的内脏损坏或破裂。
卡门涡街
据媒体报道,专家组对此次虎门大桥振动得出的初步判断中,并不是说单纯的风引起了大桥的共振,而是涡旋引起的共振,那么涡旋又是怎么回事儿?
涡旋的出现实际上是一种被称为卡门涡街的现象。卡门何许人也,冯.卡门是钱学森的老师,20世纪最伟大的的航天工程家,被誉为“航空航天时代的科学奇才”。
他也是美国第一枚国家科学勋章的获得者,卡门涡街就是卡门所发现的一个现象。
卡门涡街现象是指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。说起来可能会有些抽象,不过从图上就很容易理解这个卡门涡街到底是什么了。
这就是上面提到的旋转方向相反,排列规则的双列线涡。
卫星拍摄的杨曼因岛形成的卡门涡街
美国的塔科马海峡大桥可以说是卡门涡街最有名的受害者了,塔科马大桥有一个别称——“舞动的格蒂”,为什么呢,看看下面的图你就明白了。
1940年11月7日,技术人员在7点半测得风速为38英里/小时,两个小时后增强为42英里/小时,此时的塔科马海峡大桥,在风中疯狂扭动,倾斜程度可达45°之多,最终,这座可怜的大桥轰然倒塌,沉入海峡之中。事件发生后冯.卡门,(对,就是卡门涡街的那个冯.卡门)对事故进行了调查,发现事故的罪魁祸首正是卡门涡街产生的涡旋引起了大桥的共振。
自此之后,土木工程界充分认识到了空气动力学对桥梁带来的影响,后面所有的大型桥梁都要在进行抗共振能力检测。