老安遊記
環球旅遊的隨記，北美，歐洲
老安遊記《瀏覽美國地理風光》第十三篇：看奇跡
圖1. “看奇跡”在美國的位置
1. 倒置鋼鐵懸鏈線
通道拱門國家公園（Gateway Arch National Park），原名為傑斐遜國家擴張紀念地（Jefferson National Expansion Memorial），位於美國密蘇裏州的聖路易斯（St Louis），1935年列為國家紀念地，2018年升級為國家公園，其地理位置見圖1中的第1點。
圖2. 聖路易斯的通道拱門
聖路易斯的通道拱門，東邊瀕臨密西西比河，是美國西部開發的象征，這座雄偉壯觀的倒置懸鏈線形建築物，高度360英尺，地麵兩腳的寬度也是360英尺，整個拱門都是用不鏽鋼製成，拱門的地下部分是西部開發博物館。
美國的西部開發是一個長期的過程，獨立戰爭結束後，大量農民為了能獲得更多肥沃的土地，不斷向西遷徙，聯邦政府對於西部土地的政策，更是促進了這一運動，1848年歐洲革命失敗後，大量歐洲移民湧入美國，為美國的西部開發提供了充足的勞動力。
美國內戰時期，林肯總統頒布了《宅地法》：年滿21歲的美國公民，隻要支付10美元，就能獲得美國西部160英畝的土地，耕種5年後，該土地歸個人所有，大量窮苦農民進入西部開墾荒地，聖路易斯的通道拱門，就是為了紀念這些不屈不饒的拓荒者而建造的。
聖路易斯通道拱門於1963年2月動工，1965年10月完工，是美國最高的自立型建築物，比華盛頓紀念碑和自由女神像都還要高，拱門的設計師小埃羅-沙裏寧（Eliel Saarinen Jr.），是二十世紀美國最有創造性的建築師之一。
1910年，他在芬蘭的一個藝術家庭出生，父親是大名鼎鼎的芬蘭建築師老沙裏寧（Eliel Saarinen Sr.），母親也是有名的雕塑家，小沙裏寧從小就表現出了極強的設計天賦，12歲時就在火柴盒設計比賽中贏得了第一名。
1925年，小沙裏寧隨全家移民到了美國的密歇根州。起初，他的父親在密歇根大學的建築係任客座教授，之後與朋友一起創建了一個藝術設計學院，擔任第一任院長。小沙裏寧不僅跟隨父親學習建築設計，還研習雕塑和家具設計。
1929年，小沙裏寧赴巴黎學習雕塑，一年後，他又回到美國繼續學習建築，並考入耶魯大學建築係。從耶魯大學畢業後，小沙裏寧獲得了為期兩年的旅遊獎學金，在這兩年裏，他周遊了歐洲列國，研究歐洲的各種新式建築。
回到美國後，小沙裏寧加入了父親的建築事務所工作，在這裏他雖然每天按照父親的要求去做事，但他從未放棄對於新建築的喜愛。1948年，為了證明自己的設計才華，他與父親分別作為兩支參賽團隊，參與聖路易斯國家紀念碑的設計競賽。
就是在這次父子較量中，小沙裏寧憑借流暢的懸鏈線形拱門設計贏得了競賽，這就是今天的聖路易斯拱門。這座外貼不鏽鋼的拱門劃過天空，讓人耳目一新，被看作是美國開拓進取精神的代表。1950年，老沙裏寧去世了，小沙裏寧成立了自己的建築事務所。
拱門的設計不易，施工更難，南北兩腿的施工必須非常精準同步，熱脹冷縮的計算也必須非常精確，兩腿在基礎部分的工程誤差必須保證在0.4毫米以內，不然的話，在諸塊三角形單元的疊加過程中，積累誤差會越來越大，乃至於頂端的拱頂石無法合攏。
由於熱脹冷縮的關係，在白天的時候，太陽在南邊，因此南邊的“腿”會比北邊的更肥，高度更低，這一點點的差距，會使按尺寸精確建造的最後一塊拱頂石無法就位。施工隊打算在晚上將最後一塊拱頂石裝上，因為晚上沒有太陽曬，兩邊大小相同。
然而政府部門卻不同意，因為這是個形象工程，因此“竣工典禮”必須要在白天，人們能看到，新聞能報道。於是，無奈的施工隊在最後一塊拱頂石的位置上，裝入了相當於300噸重壓力的千斤頂將兩腿撐開。
竣工典禮安排在上午，陽光尚未強烈照射之前，甚至還派出了消防車噴水以降溫。最終，南北兩腿的高度控製在誤差3/4英寸之內，兩腿的縫隙比拱頂石的寬度還多了1.8米，在拱頂石就位之後，千斤頂緩緩撤出，左右兩腿向內夾緊了拱頂石，最終合攏。
通道拱門的高度和兩腳之間的距離相等，均為630英尺，形狀是個倒置的懸鏈線（Catenary），比如下圖就是在路邊經常見到的懸鏈線。
圖3. 路邊經常見到的懸鏈線
再比如下圖，把一條鐵鏈掛在門框兩邊的相同高度，它的形狀就是一條懸鏈線。
圖4. 把一條鐵鏈掛在門框兩邊的相同高度，形狀就是懸鏈線
聖路易斯通道拱門的簡化形狀，是如下圖所示的倒置懸鏈線。
圖5. 聖路易斯通道拱門的倒置懸鏈線形狀
通道拱門的方程可以用下麵的公式來表達
其中 e = 0.71828… 是自然對數的底，是個無理數，這是數學中的一道習題，多數讀者不難看懂，如果有興趣的話，也可以自行推導出來。
通道拱門的地下部分是西進擴張博物館（Museum of Western Expansion），另外還有三個電影院，分別放映通道拱門的建設過程，路易斯和克拉克探險隊的經曆，還有西部殖民初期的一些情況，拱門和博物館都屬於傑斐遜國家擴張紀念地。
我於2001年11月21日在這裏逗留了一整天的時間，拱門的前後左右和博物館的上下裏外都轉了個遍，三個電影也全看了，還登上了拱頂去觀望，相機裏的膠卷都用了兩卷，當時我還沒有數碼相機。
圖6. 我在傑斐遜國家擴張紀念地（今名：通道拱門國家公園）
從訪客中心乘坐特製的電梯可以達到拱門的頂端，與我同乘電梯的是一對夫婦帶著兩個小女兒。下圖是兩個小女孩中的一個，當我要為她拍照時，她絲毫不靦腆，落落大方地擺好姿勢，現在二十年過去了，應該是個大姑娘了。
圖7. 與我同乘電梯的小女孩
拱門頂端有個小平台，平台兩邊都有觀察窗口，遊客們可以在那裏“東張西望”一下，“東張”：密西西比，大河南流，“西望”：聖路易斯，盡收眼底。我也登上了拱頂，去“東張西望”了好一陣子。
圖8. 拱門的頂端有個小平台，兩邊都有觀察窗口
圖9.“東張”，密西西比，大河南流
圖10.“西望”，聖路易斯，盡收眼底
2. 金門大橋跨海灣
美國加州的金門大橋（Golden Gate Bridge），橫跨舊金山灣的金門海峽，大橋的東邊是舊金山灣，大橋的西邊是太平洋，其地理位置見圖1中的第2點。
金門大橋建成於1937年，耗資3550萬美元，鋼材10萬噸，全長8981英尺，主跨4200英尺，淨高746英尺，橋身漆成桔紅的顏色，配上清澈蔚藍的海水，碧綠如茵的草地，萬紫千紅的鮮花，如畫景觀美不勝收，再加上四季如春的宜人氣候，真乃人間仙境也。
圖11. 舊金山的金門大橋
金門大橋建成時曾經是世界上跨距最大的懸索橋，也是世界上最高的懸索橋，金門大橋的橋塔是世界第四高，大橋的寬度是82英尺，雙向共有6條行車線，下圖是大橋的基本設計數據（原圖采用公製）。
圖12. 金門大橋的基本設計數據
大橋的最初構想，來源於橋梁工程師約瑟夫-斯特勞斯（Joseph Strauss），其他主要設計者，包括藝術造型和顏色專家艾爾文-莫羅（Irving Morrow），複雜數學推算的科學家查爾斯-埃裏斯（Charles Ellis），還有橋梁設計師裏昂-莫伊塞弗（Leon Moisseiff）。
金門大橋橋身的顏色為國際桔色，建築師艾爾文-莫羅認為此色既可與周邊的環境協調，又可使大橋在常見的大霧中更加醒目，由於大橋新穎的結構和超凡脫俗的外觀，被國際橋梁界認為是美的典範，更被評為現代世界的奇跡之一，也是世界上最上鏡的大橋之一。
金門大橋於1933年1月5日開始施工，四年後，於1937年5月27日對外開放給行人，翌日，隨著羅斯福總統在華盛頓按下一個電鈕，該大橋正式對外開放給汽車使用。
金門大橋的維護工作包括不斷的加固，1989年底發生地震之後，當局即聘請專家對大橋的脆弱性進行了詳細的評估，並製定了加固計劃，分三期工程實施，第二期加固工程已經於2006年完成。
我與我妻曾經多次到此神遊，大橋南北，橋上橋下，飽覽風光，流連忘返。尤其是2016年5月28日那次，拍下許多終生難忘的漂亮照片。
圖13. 我在製高點拍攝的金門大橋
圖14. 我在遊船上拍攝的金門大橋
3. 大橋隧道緊相連
美國弗吉尼亞州（Virginia）的切薩皮克灣（Chesapeake Bay）與大西洋之間，有一個窄窄的海路，為了連接南北兩個半島，1964年，修建了一個全長為23英裏的大橋隧道綜合體（Bridge-Tunnel Complex），其地理位置見圖1中的第3點。
圖15. 切薩皮克灣的大橋隧道綜合體
切薩皮克灣是美國東部大西洋伸入內陸最深的海灣，為了方便海灣兩岸的交通往來和來此旅遊的國內外遊客，美國政府投資興建了切薩皮克灣大橋隧道綜合體，這一世界上最長的大橋隧道綜合體，被稱為“現代世界的七大奇跡之一”。
圖16. 大橋隧道綜合體是現代世界的七大奇跡之一
大橋隧道綜合體由12英裏的棧橋，兩個1-英裏的長隧道，四個人工島，兩個高架橋，大約2英裏的堤道，和5.5英裏的引道所組成，全長23英裏，是一座雙向跨海大橋，亦即水上長廊，它已經成為弗吉尼亞州東海岸南北方向的主要交通要道。
大橋隧道綜合體於1964年4月15日開放，之後人們蜂擁而至，人造島上有非常方便的休息處，停車場，餐飲部和禮品店。從駕駛者方麵來說，除了因車程縮短而節省時間之外，許多人純粹是為了體驗和觀賞這個現代世界的奇跡，我的經曆也是由這種心態所驅使。
圖17. 人工島上的觀景台和釣魚處
我於2010年7月22日從北邊的半島向南開，一直到諾福克（Norfolk），由於南北行車各走其道，所以並不感到緊張和驚險，隻是一會兒在橋上，一會兒鑽隧道，感到很新鮮，這的確是一個不平凡的經曆。
圖18. 我開車通過海灣的大橋隧道綜合體
4. 狂風吹得大橋斷
塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrows Bridge），位於美國華盛頓州的西雅圖（Seattle）南邊塔科馬（Tacoma），它是兩條懸索橋，也是華盛頓州16號公路的一部分，每條橋長1.0英裏，橫跨塔科馬海峽，其地理位置見圖1中的第4點。
圖19. 如今的塔科馬大橋
第一代大橋於1940年7月1日首度通車，但四個多月的1940年11月7日便倒塌了，十年後在同樣的位置重建了第二代大橋，1950年10月14日通車，當時是是雙向行車，後來在2007年，當並列的新橋通車後，改為單向西行。
圖20. 第一代塔科馬大橋
第一代大橋倒塌的原因，是橋麵厚度不足，在強風的吹襲下，引起了卡門渦街，當卡門渦街的振動頻率與大橋自身的固有頻率相同時，便引起劇烈的共振而崩塌，這次事件的過程有完整拍攝的影片，也成為空氣動力學卡門渦街引起建築物共振而破壞的活教材。
圖21. 第一代塔科馬大橋崩塌
第一代大橋的設計有兩個方案，一個方案由克拉克-埃德裏奇（Clark Eldridge）提出，橋麵厚度設計為25英尺，另一個方案由金門大橋設計師之一的裏昂-莫伊塞弗（Leon Moisseiff）提出，橋麵厚度減到8英尺，成本從1100萬美元降到800萬美元。
在當時的經濟前提下，莫伊塞弗的方案獲得了采納，但該橋通車數周後，橋麵開始出現上下擺動。為此，有關人員在支柱上安裝攝錄機，以便觀測擺動，同時也作為一個旅遊熱點，吸引了很多駕車人士慕名前來，親自感受大橋振蕩所引起的感官刺激。
圖22. 第一代塔科馬大橋擺動的參觀者
在持續了數個月的擺動之後，最終橋梁崩塌，其過程有全程記錄。當天早上橋麵的上下擺動突然停止，取而代之的是左右的扭曲擺動，當時有兩人被困在橋上，後來也成功地逃離了現場，然後大橋在數分鍾之內陸續崩塌。
這次事件沒有造成人命傷亡，華盛頓州政府為此設立了專案調查組，經美國空氣動力學家西奧多-馮-卡門（Theodore von Karman），在加州理工學院風洞裏進行了模型測試後，證明塔科馬大橋坍塌事故的元凶，是卡門渦街所引起的大橋共振。
此後，新橋設計必須經過風洞模擬實驗，新橋厚度增加到25英尺，並在路麵加入氣孔，使空氣可以在路麵上穿透，防止卡門渦街的產生，新橋於1950年10月14日開始啟用，作為東向單行的大橋，行車線由兩條增加到四條。
列昂納德-科茨沃斯（Leonard Coatsworth）在橋梁坍塌事故發生時，成功地逃離了。以下是他的報告：“當我剛駕車駛過塔橋時，大橋開始來回劇烈晃動，當我意識到，大橋已經嚴重傾斜時，我失去了對車的控製，此時我馬上刹車並棄車逃離 … …
我耳邊充斥著混凝土撕裂的聲音，汽車在路麵上來回滑動，大部分時候我手膝並用爬行，爬到大橋塔樓，我呼吸急促，膝蓋都磨破流血了，雙手上滿是瘀傷，最後我使出全身力氣，跳到安全地帶，回頭望去，大橋徹底被摧毀，車也隨著大橋一起墜入海峽。”
塔科馬大橋的現狀
公路：華盛頓州16號幹線
地點：塔科馬海峽（Tacoma Narrows）
連接：塔科馬（Tacoma）至吉格港（Gig Harbor）
昵稱：強健的格蒂（Sturdy Gertie）
形式：雙懸索橋
主跨：2800英尺
全長：5979英尺
淨空：187.5英尺
通車：1950年10月14日（西行），2007年7月15日（東行）
我本人曾經一度路過塔科馬大橋，可惜沒有拍下一張照片，當時我還不知道，這個看起來很平凡的大橋，還有這樣一段不平凡的曆史！
馮-卡門（von Karman）和卡門渦街（Karman Vortex Street）對我來說，並不生疏，早在哈軍工的時候（1964）就學過了，黃序老師給我們講空氣動力學（Aerodynamics），花了半節課的時間，介紹馮-卡門和錢學森，其中包括卡門渦街和卡門-錢公式。
卡門-錢公式能計算亞音速機翼的空氣動力，是錢學森在馮-卡門的指導下推導出來的，廣泛應用於飛機的結構設計。錢學森回國的當年（1955），就應陳賡院長之邀，到哈軍工視察，黃序還向錢學森專門講解過哈軍工風洞實驗的情況。
黃序後來成了中國空氣動力學研究發展中心的“司令”，當時這個中心列為軍隊的編製，有一次我到那裏去開會，還拜見過他。後來我在報考研究生的時候，選取空氣動力學作為幾乎終生都從事的專業，受誰的影響？直接的是黃序，間接的是錢學森和馮-卡門。
甚至更早一點，我在高中時期（1959），讀過一本關於空氣動力學的科普小冊子，譯者把書的原作者譯為卡爾曼，隻說他是猶太裔匈牙利人，忽略他在德國和美國的工作經曆。上世紀五十年代，中國對社會主義的匈牙利，比對資本主義的德國和美國更加友好。
聖路易斯的通道拱門最出色，大橋隧道很特殊，找個機會去看看吧。