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每日一小知识
卡门涡街可以解释许多现象。在冯·卡门论文发表后,英国物理学家约翰·威廉斯特拉斯·瑞利勋爵最先应用卡门涡街理论,他在1915年发表一篇论文,用卡门涡街的交替旋涡解释风弦琴发声的原理。风弦琴在十八世纪欧洲流行,在木制共鸣箱上安装几条琴弦,风吹琴弦,产生卡门涡街,卡门涡街频率和琴弦的固有频率发生共振而发声。中国古代在风筝上安装竹片,风吹发声如筝[5],也是卡门涡街原理造成的。其他例子包括风吹电线发声等等。
1937年德国物理学家古切(F. Gutsche), 用卡门涡街解释为什么船舶的螺旋桨在水中发出的声音。一位法国潜水艇水兵告诉冯·卡门,当他那艘潜艇的航速超过7节时,潜望镜的旋涡和潜望镜的固有频率发生共振,因此潜望镜完全不能使用[6]。1950年英国物理学家卡尔文·冈维尔(Calvin Gongwer)用卡门涡街解释为什么船舶的水翼,以及潜水艇的螺旋桨会发出高频率的声音;当时美国一首核潜艇的螺旋桨就有这个毛病,在水下潜行时容易被敌方的声纳探测出来。他和老师冯·卡门一道研究出改进美国核潜艇的螺旋桨的方法,解决了这个问题。
卡门涡街还可能引起建筑物倒塌。最著名的天灾是1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrow Bridge)崩塌事件。塔科马海峡吊桥倒塌后第二天,华盛顿州州长宣布该座吊桥的设计牢靠,计划按同样设计重建。冯·卡门觉得此事不妥,便觅来一个塔科马海峡吊桥模型带回家中,放在书桌上,开动电扇吹风,模型开始振动起来,当振动频率达到模型的固有频时,发生共振,模型振动剧烈。果然不出所料,塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,正是卡门涡街引起桥梁共振。其后冯·卡门令助手在加州理工学院风洞内,进一步测试塔科马海峡吊桥模型,取得数据,然后发一份电报给华盛顿州州长:“如果按旧设计重建一座新桥,那座新桥会一模一样的倒塌”。州长设立一个塔科马海峡吊桥倒塌事件考察小组,冯·卡门系成员之一。经一番争论,冯·卡门终于说服当时不懂空气动力学知识的桥梁设计师,在建新桥之前,先将桥梁模型进行风洞测试。会议决定采用新的设计避免卡门涡街对桥梁引起的祸害[7]。
圆柱形的工厂烟囱或冷却塔也有可能因卡门涡街引起共振而倒塌。1965年11月,英国西约克郡费里布里奇发电站两座一百多米高的冷却塔,在大风中因卡门涡街引起共振倒塌。解决办法是在烟囱或冷却塔的上端安装螺旋形的扇叶,避免卡门涡街形成。
 
 
 
 
 
 
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