△ 塔科馬海峽吊橋中部斷裂。（圖片來源：Pinterest)

1940年11月7日上午，塔科馬海峽吊橋戲劇性地坍塌了，成為了現(xiàn)代橋梁的失敗案例中最具代表性的例子。塔科馬海峽吊橋是當(dāng)時世界排名第三的懸索橋，緊隨喬治華盛頓大橋和金門大橋之后，它將塔科馬連接到普吉特灣的吉薩普半島，并于1940年7月1日正式開放通車。而僅僅過了四個月，在適當(dāng)?shù)娘L(fēng)力下，橋梁在共振頻率的驅(qū)動下產(chǎn)生了不可控的振蕩和扭轉(zhuǎn)。在一個小時后，橋梁中部倒塌，橋被摧毀。這是共振威力的證明，這件事也從此被作為物理和工程類課程的經(jīng)典例子。不幸的是，這個故事是個完完全全的迷思。

每個物理系統(tǒng)或物體都有其固有的共振頻率。例如，秋千就有能驅(qū)動它的特有頻率，每個蕩秋千的孩子，無需懂得物理，都會自然摸索出這個頻率——太快或太慢都無法讓讓秋千達到足夠蕩起來的速率。但如果一個系統(tǒng)中累積的振動能量已超出自身所能負荷，共振頻率或許會造成災(zāi)難性的破壞。例如，用適當(dāng)音調(diào)/頻率的聲音就能夠?qū)⒕票鹚椋?/p>

（圖片來源：Marty33 of YouTube）

那么再回到前面說到橋梁坍塌問題，是不是說共振就是其罪魁禍?zhǔn)琢四?？這就是科學(xué)中最簡單的陷阱：對一個問題提出一個簡單、顯而易見且令人信服的解釋，而它卻完全是錯誤的。我們可以計算出橋梁的共振頻率是多少，而事實上當(dāng)時并沒有什么可以造成那種頻率，只有一陣持續(xù)的強風(fēng)，橋本身并沒有在共振頻率上振蕩！

實際發(fā)生的事情是特別神奇的，也是給所有橋梁設(shè)計的重要經(jīng)驗教訓(xùn)——很多人還沒注意到的經(jīng)驗教訓(xùn)。

△ 溫哥華的卡皮拉諾吊橋：是世界上最長的步行懸索橋。（圖片來源：Wikipedia)

每當(dāng)你在任意兩點間懸掛一個物體時，它可以自由移動，振動，振蕩等等，它會有對外部刺激的自身反應(yīng)，就像吉他弦會振動來響應(yīng)外部激發(fā)。這也是橋梁在大部分情況下會發(fā)生的事：隨著汽車駛過、風(fēng)的吹動等等，橋身會上下振動。所以當(dāng)年在塔科馬海峽吊橋上發(fā)生的事正是在任何懸索橋都在發(fā)生的，只是由于當(dāng)時在施工上采取的節(jié)約成本的措施導(dǎo)致它的振動幅度更強。像橋梁這樣的結(jié)構(gòu)特別擅長擺脫這種振動能量，所以這種振動并不會構(gòu)成坍塌的威脅。

△ 當(dāng)穩(wěn)定強風(fēng)吹過橋梁(長方形)是產(chǎn)生旋渦，若風(fēng)持續(xù)事件夠長則改變橋梁的運動。（圖片來源：Bernard J. Feldman/The Physics Teacher)

但在1940年11月7日從塔科馬海峽吊橋吹過的是比以往任何時候都更強、更持久的風(fēng)，導(dǎo)致風(fēng)飄過橋上形成旋渦。若只是在小“劑量”下，還不會對橋造成太大的問題，但在長時間持續(xù)經(jīng)歷強風(fēng)的情況下，問題就來了。

隨著時間的推移，它們會引起稱為“顫振”（如上視頻）的空氣動力學(xué)現(xiàn)象，其中幾個端點在風(fēng)向方向會產(chǎn)生額外的搖擺運動。這使得橋身外部會在垂直于風(fēng)向的方向上移動，但是與橋的整體上下運動異相。過去大家都認為這種顫振現(xiàn)象只對飛機來說是災(zāi)難性的，但從未見它影響過橋梁，至少沒有發(fā)生過這種程度的破壞。

△ 在顫振效應(yīng)下，飛機翼可以被彎曲甚至是完全斷裂。（圖片來源：Netherlands Aerospace Centre / NLR）

當(dāng)顫振效應(yīng)開始時，支撐橋梁的其中一根鋼索咔嗒一聲斷裂，掃清了這種顫震運動的最后一個主要障礙。那時，橋梁兩側(cè)開始產(chǎn)生額外的前后搖擺。在持續(xù)的強風(fēng)下，產(chǎn)生持續(xù)的旋渦，并且橋梁本身沒有能力消散這些力量，橋身的搖擺沒有減退，而是更加強烈。橋上的最后一個逃離現(xiàn)場的人是拍攝這些畫面的攝影師。

△ 攝影師Howard Clifford在塔科馬吊橋中部斷裂前一分鐘逃離現(xiàn)場。（圖片來源：University of Washington historic archives)

但是，需要強調(diào)的是，橋梁的坍塌不是因為共振，而是橋自身引發(fā)的搖擺！由于沒有消散這些能量的能力，它只是反復(fù)地扭轉(zhuǎn)，隨著扭曲的繼續(xù)，它受到的損害也繼續(xù)，正如來回地扭轉(zhuǎn)一個堅實的物體會最終導(dǎo)致它斷裂。因此，導(dǎo)致橋梁斷裂的罪魁禍?zhǔn)撞⒎枪舱?，而是缺乏對所有可能產(chǎn)生影響的效應(yīng)的預(yù)見、廉價的施工技術(shù)以及沒有計算所有的相關(guān)力。

盡管如此，這件事也并非是完全失敗的。調(diào)查坍塌的工程師很快就明白這一現(xiàn)象，在10年內(nèi)，他們創(chuàng)立了有一個新的科學(xué)領(lǐng)域——橋梁空氣動力學(xué)和空氣彈性學(xué)?，F(xiàn)在，“顫振”現(xiàn)象已被廣泛理解了，但我們必須牢牢的記住它才能讓它更有效。后來修建的跨越塔科馬海峽的兩座橋梁已經(jīng)修復(fù)了之前的缺陷，但是倫敦的千禧橋和俄羅斯的伏爾加格勒大橋都在21世紀(jì)被曝出過有“顫振”相關(guān)的缺陷。

不要再讓“共振”背負是導(dǎo)致所有著名橋梁坍塌的黑鍋了。真正的原因?qū)嶋H上更加可怕，如果我們忽略了真正帶來災(zāi)難性事件的顫振效應(yīng)，可能會讓世界各地的數(shù)百座橋梁因此遭殃。

來源：公眾號“原理”