迷思：桥梁坍塌是因为共振吗？

△ 塔科马海峡吊桥中部断裂。（图片来源：Pinterest)

1940年11月7日上午，塔科马海峡吊桥戏剧性地坍塌了，成为了现代桥梁的失败案例中最具代表性的例子。塔科马海峡吊桥是当时世界排名第三的悬索桥，紧随乔治华盛顿大桥和金门大桥之后，它将塔科马连接到普吉特湾的吉萨普半岛，并于1940年7月1日正式开放通车。而仅仅过了四个月，在适当的风力下，桥梁在共振频率的驱动下产生了不可控的振荡和扭转。在一个小时后，桥梁中部倒塌，桥被摧毁。这是共振威力的证明，这件事也从此被作为物理和工程类课程的经典例子。不幸的是，这个故事是个完完全全的迷思。

每个物理系统或物体都有其固有的共振频率。例如，秋千就有能驱动它的特有频率，每个荡秋千的孩子，无需懂得物理，都会自然摸索出这个频率——太快或太慢都无法让让秋千达到足够荡起来的速率。但如果一个系统中累积的振动能量已超出自身所能负荷，共振频率或许会造成灾难性的破坏。例如，用适当音调/频率的声音就能够将酒杯震碎：

（图片来源：Marty33 of YouTube）

那么再回到前面说到桥梁坍塌问题，是不是说共振就是其罪魁祸首了呢？这就是科学中最简单的陷阱：对一个问题提出一个简单、显而易见且令人信服的解释，而它却完全是错误的。我们可以计算出桥梁的共振频率是多少，而事实上当时并没有什么可以造成那种频率，只有一阵持续的强风，桥本身并没有在共振频率上振荡！

实际发生的事情是特别神奇的，也是给所有桥梁设计的重要经验教训——很多人还没注意到的经验教训。

△ 温哥华的卡皮拉诺吊桥：是世界上最长的步行悬索桥。（图片来源：Wikipedia)

每当你在任意两点间悬挂一个物体时，它可以自由移动，振动，振荡等等，它会有对外部刺 激的自身反应，就像吉他弦会振动来响应外部激发。这也是桥梁在大部分情况下会发生的事：随着汽车驶过、风的吹动等等，桥身会上下振动。所以当年在塔科马海峡吊桥上发生的事正是在任何悬索桥都在发生的，只是由于当时在施工上采取的节约成本的措施导致它的振动幅度更强。像桥梁这样的结构特别擅长摆脱这种振动能量，所以这种振动并不会构成坍塌的威胁。

△ 当稳定强风吹过桥梁(长方形)是产生旋涡，若风持续事件够长则改变桥梁的运动。（图片来源：Bernard J. Feldman/The Physics Teacher)

但在1940年11月7日从塔科马海峡吊桥吹过的是比以往任何时候都更强、更持久的风，导致风飘过桥上形成旋涡。若只是在小“剂量”下，还不会对桥造成太大的问题，但在长时间持续经历强风的情况下，问题就来了。

△ 塔科马海峡吊桥的颤振现象的二维CFD模拟。（图片来源：Daniel Wei/Youtube)

随着时间的推移，它们会引起称为“颤振”（如上视频）的空气动力学现象，其中几个端点在风向方向会产生额外的摇摆运动。这使得桥身外部会在垂直于风向的方向上移动，但是与桥的整体上下运动异相。过去大家都认为这种颤振现象只对飞机来说是灾难性的，但从未见它影响过桥梁，至少没有发生过这种程度的破坏。

△ 在颤振效应下，飞机翼可以被弯曲甚至是完全断裂。（图片来源：Netherlands Aerospace Centre / NLR）

当颤振效应开始时，支撑桥梁的其中一根钢索咔嗒一声断裂，扫清了这种颤震运动的最后一个主要障碍。那时，桥梁两侧开始产生额外的前后摇摆。在持续的强风下，产生持续的旋涡，并且桥梁本身没有能力消散这些力量，桥身的摇摆没有减退，而是更加强烈。桥上的最后一个逃离现场的人是拍摄这些画面的摄影师。

△ 摄影师Howard Clifford在塔科马吊桥中部断裂前一分钟逃离现场。（图片来源：University of Washington historic archives)

但是，需要强调的是，桥梁的坍塌不是因为共振，而是桥自身引发的摇摆！由于没有消散这些能量的能力，它只是反复地扭转，随着扭曲的继续，它受到的损害也继续，正如来回地扭转一个坚实的物体会最终导致它断裂。因此，导致桥梁断裂的罪魁祸首并非共振，而是缺乏对所有可能产生影响的效应的预见、廉价的施工技术以及没有计算所有的相关力。

尽管如此，这件事也并非是完全失败的。调查坍塌的工程师很快就明白这一现象，在10年内，他们创立了有一个新的科学领域——桥梁空气动力学和空气弹性学。现在，“颤振”现象已被广泛理解了，但我们必须牢牢的记住它才能让它更有效。后来修建的跨越塔科马海峡的两座桥梁已经修复了之前的缺陷，但是伦敦的千禧桥和俄罗斯的伏尔加格勒大桥都在21世纪被曝出过有“颤振”相关的缺陷。

不要再让“共振”背负是导致所有著名桥梁坍塌的黑锅了。真正的原因实际上更加可怕，如果我们忽略了真正带来灾难性事件的颤振效应，可能会让世界各地的数百座桥梁因此遭殃。

来源：“原理”