流體力學中的神秘旋渦：卡門渦街

水裡的漩渦通向哪裡

錢學森是我國無人不知無人不曉的科學家、工程師，而天才的學生往往也不會缺少天才的老師，錢學森的導師就是大名鼎鼎的“超聲速時代之父”——馮·卡門。

錢學森（中）與馮卡門（右）

關於馮·卡門的故事有很多，以他的名字命名的理論、發明、現象也很多，比如說“馮卡門曲線”、“卡門旋成體”、“卡門-錢學森公式”等等，

而我們今天要說的，是生活中經常可見的一個現象：“卡門渦街”

。

這是一次試驗中的偶然發現

馮·卡門曾經在德國哥廷根大學任助教的時候，監督學生做了一個很簡單的試驗：一個流水槽裡面放了一個圓柱體，然後讓流動的水流流過這個圓柱體。

試驗很假單，但是做試驗的時候發現了很大的問題：水流流過圓柱體的時候，

圓柱體居然不安分地振動了起來

。馮·卡門的老師——更鼎鼎大名的“現代流體力學之父”普朗特對此不以為意，覺得是圓柱體做的不圓，但是馮·卡門卻不這麼想，

他認為是這是流體的流動發生了問題，而不是試驗裝置產生的誤差

。

馮·卡門認為是水的流動讓圓柱體振動了起來

馮·卡門發現，水流在經過圓柱體的時候，如果速度足夠快，就會導致圓柱後水流的流動方向不再是垂直向後，而是會神奇地“擺動”起來，一邊帶動圓柱體振動，一邊在圓柱體後面留下來一個個的漩渦。

在細緻地研究之後，馮·卡門於是從這一現象中總結出來流體不穩定流動性，並且將其命名為卡門渦街，還以此為內容寫出了他的第一篇論文。從此“卡門渦街”這個名字成了空氣動力學中最為經典的一個概念。

流體是一種運動很不穩定的物質

相比較於流體，固體真的是一種運動、變化很簡單的物質形態。

當我們對固體施加力的時候，固體的形狀大體不變。

比如說你對一個立方體是施加一個力，這個立方體可能會變長長方體，可能會歪一點兒，但是這個立方體不會變的千瘡百孔、七扭八歪。

同時，固體在外力作用下形狀的變化一般來說是“線性”的

，隨著外力變大，固體的變形也等比例地變大。當我們撤去這個力的時候，物體的形狀也往往能夠恢復。

固體的變形、運動很簡單

而流體就大不一樣了。首先流體就沒有穩定的形狀，隨著外力的變化，流體外部形狀就是歪七扭八，而且不僅僅是外部形狀，內部的結構更加是像趕集一樣熱鬧，流體的不同部分之間相互摩擦、碰撞、剪下、分離、混合……跟齊齊整整的固體相比，流體的運動規律真的是讓科學家傷透了腦筋。

流體的運動讓人捉摸不透

而卡門渦街這個現象出現的原因，就是跟流體的不穩定性有關。顯示出了跟固體完全不一樣的性質。

大自然裡到處都是卡門渦街

不要以為卡門渦街只是試驗室裡面的東西，實際上大自然到處都有“卡門渦街”。比如說當我們從太空中看雲層的時候，就經常會發現風吹過巍峨高聳的山峰後，會在下游的雲層中形成一個個的漩渦——而這些美麗的漩渦就是卡門渦街。

大氣雲層中的卡門渦街

再比如說，魚在水中游動的時候，就是利用這種週期脫落的“渦”，從而獲得向前的動力——而這種現象就叫做“反卡門渦街”。

飛魚在身後的水面上甩下一串旋渦

卡門渦街造成的毀滅性災難

卡門渦街很美，但是如果你只是覺得它美、不重視它可能帶來的災難，那麼遲早是要受到來自科學之神的懲罰。

比如說著名的“塔科馬海峽吊橋崩塌事故”中，工程師沒有想到

風在吹過橋面的時候會產生卡門渦街現象

，而就好像最開始馮·卡門觀察到水流流過圓柱體會讓圓柱體振動的現象類似，卡門渦街會對橋面產生一個反覆的、週期性的外力作用。

而當這個外力作用的頻率達到某一個值的時候，大橋的振動會越來越大——這就是我們所說的“共振”現象，於是水泥、鋼鐵製成的大橋居然像麵條一樣抖動起來，最終徹底崩潰。

塔科馬海峽吊橋崩塌事故

塔科馬海峽吊橋崩塌事故的原因

從此，任何建築物在設計之初就要把建築物模型放到風洞模型中吹一吹，保證神奇的卡門渦街不會再次讓這些建築物崩塌。

總結

卡門渦街的出現本質上來源於流體的神奇性質，我們在水中、空氣等流體中都會看到這種現象。而且，卡門渦街不僅僅是“美”，更重要的是，

這是一種自然科學中客觀存在的現象

，如果你尊重它、並且運用得當，那麼就會如虎添翼，如果你不知道這種現象的可怕，那麼很有可能無意之中就會讓自己的作品毀於一旦。