浅谈什么是卡门涡街

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冯·卡门 (Theodore von Kármán 1881~1963)，1881年5月11日生于匈牙利布达佩斯，1963年5月6日卒于德国亚琛。美籍匈牙利力学家，近代力学的奠基人之一，是钱学森、钱伟长、郭永怀和林家翘的导师。

大家了解卡门涡街了吗？小编今天将与大家一起走进马宏伟教授的课堂一起来认识卡门涡街。美国华盛顿州的Tacoma Narrow桥，于1940年7月建成，全长1810.2米，最大跨度：853.4米，是当时世界上最长的悬索大桥。1940年11月7日，在42英里/小时（相当于20m/s）风速的作用下，导致桥面折断坠落到峡谷中。

Tacoma Narrow桥的桥面是水平的，风也是水平吹过来的，为什么会发生上述扭转的摆动，导致最后桥的坍塌呢？这是由于在风的作用下产生的卡门涡街，涡作用以后使得桥面周期性出现上下的作用力。

如上图所示，把桥作为一个横断面，风沿着水平方向吹过来，为什么却出现了扭转摆动的情况？实际上，这是由于在桥面的上流线经过的过程中横断面上边产生了一个涡，这个涡离开以后，另一边又产生了一个涡，这些涡上下交替出现，使得桥不断的摆动，并且摆的幅度越来越大，当和桥的共振频率、扭转频率一致时，桥就会出现扭转摆动的情况。这就是著名的卡门涡街。

卡门涡街定义：

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卡门涡街是流体力学中重要的现象，在自然界中常可遇到。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，经过非线性作用后，形成卡门涡街，如水流过桥墩，风吹过高层楼厦、电视塔捆囱、电线等，都会形成卡门涡街。卡门涡街的图片十分漂亮，有时可当作为艺术品来欣赏。

举个例子，下图是一个轴对称的圆形物体受到风的作用，如果风的速度小于某个值，它的流线如下图(a) 所示；随着流速的增大在它的尾部出现了一个气流的涡旋（如下图(b)），这个涡旋会脱落，每次脱落的时候它都会交替的出现，尾部的涡在脱落的过程造成的负压力出现周期性的变化，最后出现下图(d)(e)的情况。

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其实生活中常用的工具就能观察到卡门涡街，只需要一个吹风机和一个小纸条就能够做到，步骤如下：

1、首先，把小纸条在无风处竖直放置，观察到纸片是静止的。

2、然后，将吹风机调至低风速档，将纸片放在吹风机下面，风从纸片正上方往下吹，先将纸片放离吹风口远一点的位置，纸片还是基本静止的；慢慢靠近风口，由于实验存在误差，纸片会有一点微小的摆动，但是纸片的振幅不会太大。由此可以观察到当风速比较低时，纸片基本上还是静止的。

3、最后，把吹风机开到高风速挡，这个时候可以观察到纸片中部振幅波动大，后头尾巴会明显摆出，这也就是卡门涡街。

2009年美国宇航局卫星拍摄的扬曼因岛后面的卡门涡街

2007年美国“陆地卫星7”拍摄的阿留申群岛后的卡门涡街

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参考文献：
王振东. 漫话卡门涡街及其应用[J]. 力学与实践, 2006, 28(1):88-90.
唐静静，范钦珊 — —《工程力学》（静力学和材料力学）第3版

来源：力学趣话微信公众号