塔科馬海峽(Tacoma Narrows)吊橋的坍塌

最近更新時間: 12/05/2012 11:59 AM


你可能知道美國塔科馬海峽(Tacoma Narrows)吊橋的坍塌,很多學校的物理系都保存著整個過程的紀錄片,清楚顯現出橋的振盪以及最後的坍他情形。

橋在建造的時候就振盪的很厲害,事實上結構物的擺動甚至讓工人覺得暈眩。甚至在橋正式通車之後,很多遠方的人特別開車過來,就為了體會吊橋振盪的刺激。有些日子,橋的振盪可達到5英尺之多,橋上車子裡的乘客甚至看不到別的車子。

然而橋最後會垮掉,至今仍然令人吃驚。在坍塌的那天早上,橋的擺動忽然停止了,而在短暫的停頓之後,橋發生猛烈的扭力振盪(torsional oscillation)。當時在橋上的兩個人只好四枝著地,爬了出來。後來發現一隻狗陷在橋上,有個教授只好在扭力振盪的節線(nodal line)上,倒退著前進(他的倒退救狗行為也被記錄下來)。

在扭力振盪了三十分鐘之後,一塊橋面上的鐵板掉了下來。又過了三十分鐘,600英尺長的部份橋板也掉了下來。之後,儘管扭動曾短暫停止,但旋即扭動起來,不到幾分鐘的時間,主要的橋板就全掉下來了。

這件事並不能怪罪橋的設計者(悲劇發生後,他的事業生涯結束,不久候也去世了),因為當時對吊橋的空氣動力行為還不十分瞭解。這件事對橋樑建築的影響是巨大而深遠的。

在物理學上,把這座橋的坍塌當成是強迫共振(driven resonance)的實例。雖然在那天,風並不是特別的強,但橋的振盪卻大到發生災難的程度。但是風怎麼會弄成這樣,又如何造成這種後果?為什麼很穩定的風會造成擺動,而這擺動隨後引發扭力振盪?既然強迫共振意味著驅動力和被驅動的物體之間某種頻率的契合,你必須說明風如何產生這種契合頻率。


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