撰文 | 戴世強 （上海大學終身教授，博士生導師）
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……，只要狂風大作，只要激流奔騰，甚至只有和風緩流，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。卡門渦街這個名字注定要與一場大災難聯(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”（“gentle breeze”）中，橋面就有波幅達1.2米的起伏；風稍大些，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，風速是64公里/小時（一說67公里/小時），也就是說，大橋處于風速為17.8～18.6米/秒的八級“大風”（“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首何在？一時眾說紛紜，成了不解之謎，解謎的責任歷史地落到了空氣動力學家馮·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，開動一臺電風扇對著大橋模型吹。先發(fā)現(xiàn)模型在微風中輕輕搖晃；接著他提高電扇轉(zhuǎn)速，到一定風速后，模型開始振動起來；當電扇送風產(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首，由于大橋有一部分是實體側(cè)壁，強風連續(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，組長是橋梁設計師，另外二位組員是土木工程師，他是唯一的力學家。
當時的橋梁工程界對流體力學（特別是空氣動力學）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，承認了災難的起因，認可了空氣動力學研究對橋梁工程的極端重要性（看看現(xiàn)今同濟大學橋梁系的先進風洞以及為各座待建大橋所做的預研，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的一位初出茅廬的編外講師。此前三年，他在普朗特指導下，完成了塑性力學的博士論文，開始在力學領域縱橫馳騁。
馮·卡門知道普朗特及其學生對旋渦流動頗感興趣，但他踏入這一研究領域純粹事出偶然。當時，普朗特的一位勤勉的學生希門茨正按導師指導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)學工具！要是真能用數(shù)學來揭開其中奧秘，那是夠令人激動的！
說干就干，馮·卡門出手了。在一個星期五，他關起門來進行分析、演算。他引進了一些假設。先假設水流經(jīng)過柱體分成上下兩股，在圓柱后產(chǎn)生兩股渦流；接著，假設渦流上下對稱，一試，不對了，對應的流體力學方程的解是不穩(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滿足某種關系，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)果準確無誤。相關成果的論文也發(fā)表在《哥廷根科學院院報》。
卡門渦街就此誕生（當然該名稱是后來才有的），馮·卡門從此名揚天下。它顯示了哥廷根應用力學學派的信條的正確性，而在1940年的那場災難的分析中，卡門渦街理論得到了一次最成功的應用。卡門渦街發(fā)現(xiàn)后的百年間，大批力學家做了大量后續(xù)工作，有了更廣泛的工程應用，光是卡門渦街的照片就有成千上萬，極有美學鑒賞價值*。
