撰文 | 戴世強  （上海大學(xué)終身教授，博士生導(dǎo)師）

世上有這樣的街，它美麗，它古老，它隱蔽，它惹是生非，它是名人發(fā)現(xiàn)的街。說它美麗，是因為它在“夜色”下，兩排“街燈”錯落有致，像一雙雙水汪汪的大眼睛，圓圓的，發(fā)著左旋右旋的光芒，秀色可餐；說它古老，是因為它已屆百歲高齡，而在千年古畫——意大利波羅納博物館收藏的油畫“圣·克里斯朵夫背負幼年耶穌涉水過河”里竟有它的蹤影；說它隱蔽，是因為它躲躲閃閃，羞羞答答，肉眼一般看不見，它躲藏在高樓后面、大橋后方、橋墩背后、高架電纜之側(cè)、海洋平臺立柱之后……，只要狂風(fēng)大作，只要激流奔騰，甚至只有和風(fēng)緩流，它就會隱隱約約地出現(xiàn)；說它惹是生非，是因為它到處搗蛋，四方撒野：肆虐之處，高樓垮塌、大橋坍塌、電纜繃斷、立柱折斷……，而它卻躲在那里默不做聲，或者溜之乎也；說它是名人發(fā)現(xiàn)的街，因為它名叫卡門渦街，馮·卡門逮著了它，證實了它，發(fā)現(xiàn)了它的千姿百態(tài)，確定了它的出身秘密，但是，……還不能說征服了它，因為大自然的威力太過強大，然而，由于馮·卡門揭曉了它的身世，人們有可能把它扼殺在搖籃里，使它無法發(fā)威?？ㄩT渦街這個名字注定要與一場大災(zāi)難聯(lián)系在一起。

塔科馬海峽大橋坍塌之謎

1940年11月7日，美國的晚報上出現(xiàn)轟動性大新聞，頭版頭條的通欄標(biāo)題赫然是：“塔科馬海峽大橋塌落！”這座大橋位于華盛頓州首府西雅圖之南約50公里處，1940年7月1日建成通車，是一座耗資640萬美元的懸索大橋，全長1.8公里，單跨853米，當(dāng)時號稱“世界單跨橋之王”。然而卻在竣工四個月后的11月7日上午十點多一點，在一陣不太強的大風(fēng)中砰然垮塌，一頭栽入帕杰海峽！萬幸的是，事件中無人喪生，只有一條寵物狗罹難，因為當(dāng)時橋上只有一輛拋錨的汽車，車主跌跌撞撞地跳了出來，匍匐前進到安全地帶，而車上的狗已來不及救出，與汽車同歸于盡。正在附近的華盛頓大學(xué)的法庫哈森教授（塔科馬大橋的動態(tài)性質(zhì)研究者）攝下了大橋坍塌的珍貴的視頻鏡頭。

這一事件在美國民眾中激起了軒然大波，政府立即著手調(diào)查。原來，在建造和使用過程中，此橋就顯現(xiàn)了問題；從通車之日開始，人們就發(fā)現(xiàn)，即使在1.4～2.0米/秒的二級“輕風(fēng)”（“gentle breeze”）中，橋面就有波幅達1.2米的起伏；風(fēng)稍大些，起伏更甚，駕車過橋時司機都感到眩暈。塔科馬大橋很快得到了“舞動的裘娣”的雅號，工程師曾用粗鋼纜加固，仍無濟于事。出事之前的十點鐘，風(fēng)速是64公里/小時（一說67公里/小時），也就是說，大橋處于風(fēng)速為17.8～18.6米/秒的八級“大風(fēng)”（“gale”）中，雖有“裘娣舞動”現(xiàn)象，但似乎沒有任何危險的前兆；幾分鐘后，情況突變，橋面的有節(jié)奏的起伏（上下振動）變成激烈的扭轉(zhuǎn)翻滾（扭振），觀察人員報告，大橋快要“翻個兒”了，管理者馬上下達禁止通行令。再過幾分鐘，大橋更加劇烈地歪扭、翻騰，左右橋側(cè)的落差達17米，橋基左右擺動達45度！掙扎了一個小時后，路燈燈柱首先倒下，大橋中面猛然拱起，桁架、橋面開始散架，再過十分鐘，一聲轟然巨響，大橋的中跨一頭栽進海底，在猛烈的振動中，邊跨在激烈抽動后，也沉入海底，正在攝影的法庫哈森教授摔倒在地，爬起來狼狽逃竄，爬出支離破碎的橋面，返回岸邊。那么，塔科馬海峽大橋坍塌的罪魁禍?zhǔn)缀卧?？一時眾說紛紜，成了不解之謎，解謎的責(zé)任歷史地落到了空氣動力學(xué)家馮·卡門的身上。

馮•卡門揭開了謎底：

是卡門渦街惹的禍

這一事件立即引起正在為火箭事業(yè)奔波的馮·卡門的關(guān)注。他讀翌日的報紙時發(fā)現(xiàn)華盛頓州州長說，大橋的結(jié)構(gòu)沒有問題，州政府將依樣畫葫蘆地再建新橋。急性子的馮·卡門按捺不住了，立即在學(xué)校里讓技師依照大橋的摸樣制作了一個橡皮模型橋，帶回家中，放在客廳的大桌子上，開動一臺電風(fēng)扇對著大橋模型吹。先發(fā)現(xiàn)模型在微風(fēng)中輕輕搖晃；接著他提高電扇轉(zhuǎn)速，到一定風(fēng)速后，模型開始振動起來；當(dāng)電扇送風(fēng)產(chǎn)生的振動的節(jié)奏與橋模振動合拍時，模型出現(xiàn)了不穩(wěn)定現(xiàn)象，而且愈演愈烈！

馮·卡門跳將起來，試驗證明了他事先的猜測：暗中作祟的是“卡門渦街”！他的主要結(jié)論是：卡門渦街是事故的罪魁禍?zhǔn)祝捎诖髽蛴幸徊糠质菍嶓w側(cè)壁，強風(fēng)連續(xù)吹打側(cè)壁，在側(cè)壁后方形成周期性擺動的卡門渦街，而旋渦的脫落頻率恰好與大橋的固有頻率相近，使大橋產(chǎn)生了強烈的共振，終于把大橋給“報銷”了。他立即向華盛頓州州長發(fā)去電報，告訴他，假如依樣畫葫蘆地再建新橋，新橋也會依樣畫葫蘆地倒塌！為了推動對問題的討論，他馬上在《工程新聞記錄》上發(fā)表短文，講述大橋失穩(wěn)的原因。一個月后他專程參加了事故調(diào)查小組，組長是橋梁設(shè)計師，另外二位組員是土木工程師，他是唯一的力學(xué)家。

當(dāng)時的橋梁工程界對流體力學(xué)（特別是空氣動力學(xué)）基本上是一竅不通。為了說服他們相信他的結(jié)論，馮·卡門讓他的助手L.鄧恩（他后來的接班人）做了大量更精細的大橋模型的風(fēng)洞實驗，D.蘭尼教授做了理論分析，理論結(jié)果與實驗結(jié)果吻合！接著，他費了九牛二虎之力說服了橋梁工程界的冥頑不化的工程師們。在調(diào)查總結(jié)會上，大家心悅誠服地接受了馮·卡門的見解，承認了災(zāi)難的起因，認可了空氣動力學(xué)研究對橋梁工程的極端重要性（看看現(xiàn)今同濟大學(xué)橋梁系的先進風(fēng)洞以及為各座待建大橋所做的預(yù)研，你就會了解馮·卡門的巨大影響）。

柱面壓力波動之謎：

卡門渦街的發(fā)現(xiàn)

人們會問：卡門渦街是怎樣發(fā)現(xiàn)的？時光得倒轉(zhuǎn)到百年之前。

1911年，馮·卡門還是哥廷根大學(xué)的一位初出茅廬的編外講師。此前三年，他在普朗特指導(dǎo)下，完成了塑性力學(xué)的博士論文，開始在力學(xué)領(lǐng)域縱橫馳騁。

馮·卡門知道普朗特及其學(xué)生對旋渦流動頗感興趣，但他踏入這一研究領(lǐng)域純粹事出偶然。當(dāng)時，普朗特的一位勤勉的學(xué)生希門茨正按導(dǎo)師指導(dǎo)進行勻速水流中圓柱體表面的壓力測量。糟糕的是，希門茨發(fā)現(xiàn)，測得的壓力總有波動，不管做得怎樣細致，水流老是晃動，壓力總在波動。普朗特猜測，可能是圓柱表面的粗糙引起的，于是希門茨把柱面磨得像鏡面般光潔，更加精細地做實驗，但圓柱和水流晃動依舊。每天早晨馮·卡門上班路過希門茨的實驗室，總要問一句：“希門茨先生，還晃動嗎？”回答總是：“唉，還是一個勁地晃吶！”于是，馮·卡門動了好奇心，他直覺地感到，這個問題單靠實驗解決不了問題，得動用數(shù)學(xué)工具！要是真能用數(shù)學(xué)來揭開其中奧秘，那是夠令人激動的！

說干就干，馮·卡門出手了。在一個星期五，他關(guān)起門來進行分析、演算。他引進了一些假設(shè)。先假設(shè)水流經(jīng)過柱體分成上下兩股，在圓柱后產(chǎn)生兩股渦流；接著，假設(shè)渦流上下對稱，一試，不對了，對應(yīng)的流體力學(xué)方程的解是不穩(wěn)定的！于是，改弦更張，令上下兩股渦流反對稱，上面一股先形成，下面一股跟著來，交替出現(xiàn)，結(jié)果，他的頭腦里出現(xiàn)了穩(wěn)定的解，一試算，完全正確！然后，他發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種交替出現(xiàn)的渦有一定的條件，兩股渦流之間的距離與每股渦流中各個渦的距離應(yīng)滿足某種關(guān)系，從柱體背后以一定頻率瀉落的渦，才會形成美麗的、錯落有致的渦街。（如今有了先進的流動顯示技術(shù)，可輕松地在水槽里抓到渦街；又有了先進的計算技術(shù)，計算機會很快給你渦街圖像，就不用馮·卡門那樣費勁了）。第二周的星期一，他向同事們報告了自己得到的結(jié)果，也向普朗特匯報了此結(jié)果及其來龍去脈，立即得到了后者首肯，并將其推薦發(fā)表于《哥廷根科學(xué)院院報》。馮·卡門并未就此止步，他明白，還需要用實驗來驗證理論結(jié)果。普朗特派了博士生魯巴希幫助他，兩人用水槽和風(fēng)洞進行試驗，試驗結(jié)果與理論結(jié)果吻合！接著馮·卡門又采用更精確的計算方法做了計算，接下來的一系列實驗都證明計算結(jié)果準(zhǔn)確無誤。相關(guān)成果的論文也發(fā)表在《哥廷根科學(xué)院院報》。

卡門渦街就此誕生（當(dāng)然該名稱是后來才有的），馮·卡門從此名揚天下。它顯示了哥廷根應(yīng)用力學(xué)學(xué)派的信條的正確性，而在1940年的那場災(zāi)難的分析中，卡門渦街理論得到了一次最成功的應(yīng)用。卡門渦街發(fā)現(xiàn)后的百年間，大批力學(xué)家做了大量后續(xù)工作，有了更廣泛的工程應(yīng)用，光是卡門渦街的照片就有成千上萬，極有美學(xué)鑒賞價值*。