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小错误也会引发大灾难

即使只是一个非常小的错误,也会有人因此丧命。不相信么?那让我们来看看这些使人丧命,却几乎完全可以原谅的设计错误吧。

正方形窗户导致飞机解体

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上世纪50年代,航空公司第一次引进了喷气式飞机,第一批引入的机型代表叫做 de Havilland Comet 。这是当时顶尖的喷气式飞机,有着许多前所未见的特性,比如它装有增压舱使得它可以比其他飞机飞得更高更快。

然而在 1954 年 1 月 10 日,一架从罗马钱皮诺机场起飞的 Comet 在起飞 20 分钟后解体并坠入地中海,机上 35 人全部丧生。没有人目睹这场灾难,只有一些不确定不完整的无线电信号留给了人们,也没有明显的什么理由来解释飞机的坠毁。

当时的英国首相丘吉尔说“要不惜一切人力物力来揭开 Comet 坠毁的谜团。”

在调查中,英国皇家海军负责了残骸的收集工作。第一块残骸在 1 月 12 号被发现,而搜寻工作一直持续到 8 月份,最终 70% 的主要结构, 80% 的动力部分以及 50% 的机载设备被找到。当年 10 月 19 号,事故原因调查组成立。调查人员认为金属疲劳很可能是造成事故的原因,因此进行了机身表面的张力测试。在找回的残骸上进行了全面的“水刑”测试之后,事故原因终于水落石出。测试结果表明窗户角附近所承受的压力比预期高了非常多,而且机身所承受的压力也比之前实验的和预期的水平高,其原因仅仅是——窗户的形状是正方形。

这是一个很容易忽视却一经解释又很容易理解的错误。

下图是一些带凹槽的巧克力排。你觉得对哪里施加压力它最容易断呢?很容易想到,是那些深深的凹痕处。这是那些凹痕存在的原因,也是没人用这样的结构来建造重要部件的原因。

图片来源:cracked.com

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一个正方形的窗户会在你家墙上弄出 4 个 90° 的凹槽,也就创造了 4 个脆弱的部分。如果你家的墙上能看到砖或者灰泥,你也能发现如下图所示的从 4 个角延伸出去的裂缝。从工程的角度来说,那些尖锐的角(或者巧克力的凹槽)叫应力集中点,在 Comet 坠毁事件中窗户角的点因应力集中,会比其余部分承受约两到三倍的压力,因此很容易断裂开。

图片来源:cracked.com

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假如你是飞机设计者,你会怎么改造它?仔细观察的话,可以看到现在每一扇飞机窗户都是圆角的。曲线将压力分散到曲线上的每一点上,而不是像直角那样将压力集中到一点。后者倾向于拉扯飞机,并久而久之导致裂缝的出现。

图片来源:cracked.com

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这个细节是如此容易忽视,以至于来自竞争公司波音和道格拉斯的代表都表示他们的工程师们本来也没有考虑这一点,而且如果 Comet 不是第一架因此解体的飞机,他们的飞机也可能成为第一架。自这次事故之后,飞机的窗户都变成了圆角。

航空母舰上的飞机撞毁事故

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你不需要成为飞行员就能猜到降落在航空母舰上是有多难。航空母舰上只有一条小小的降落带,旁边挤着一堆飞机,并且在波浪中摇晃。请记住,现在有在一堆设备以及信号系统帮助飞机降落,早期的飞机根本没有这些东西。

除了这些还有另外一个问题。早期的航空母舰看起来像这样:

图片来源:维基百科

图片来源:维基百科

这是一个浮动的跑道,跑道和舰艇轴线是平行的。不过,这样的设计简直就是一个废品回收站。正如你所见,等待起飞的飞机在停在跑道的另一头,如果飞机降落时没有及时停下,就会撞上它们。要及时停下并不容易,抓住拦阻索是一件挺麻烦的操作。最终航母采取了卡通片逻辑似的解决方案,安装了网状的障碍来阻挡没有抓住拦阻索的飞机。然而,飞机降落时跳过障碍也不是那么罕见的事情。

什么样的杰出创意可以让飞机们更安全地降落呢?设计师们将降落跑道偏转了大概 9 度:

图片来源:维基百科

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不要笑。这点子花了好几年才想出来。当包括空间飞行(V-2火箭)和核裂变(原子弹)这样在二战期间就已出现的高端科技不断在进步时,人们直到 1952 年才想到要把飞机跑道变一个角度。在这之前,每一次降落都可能导致一次追尾。

改变角度之后,没抓住拦阻索的飞机就可以再次起飞尝试下一次降落。飞机则停在旁边的甲板上,一点危险都没有。另外调整跑道角度之后还能让起飞和降落同时进行。而在二战期间,起飞会因为有飞机正在降落而推迟,反之亦然。如果这样的调整早 10 年进行,谁知道会有多少生命因此得救。

偷懒让凯悦酒店走廊垮塌

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凯悦酒店集团(Hyatt Hotels and Resorts)是世界顶级的跨国酒店集团,为目前世界十大知名酒店品牌之一,在世界各地管理数百间酒店,素以豪华及舒适驰名。在1978年设计位于美国密苏里州堪萨斯城市区的新旅馆时,酒店设计者想要安装一些花哨设备。负责建筑设计的建筑公司想出了一系列在天花板上悬挂空中走廊的设计,这样就可以让人们从拥有极佳视野的高处向下俯看。总的来说,这是一个很好的设计,但谁也没想到这个大概 37 米长的走廊有一天会突然掉下来,上百人因此死亡。

图片来源:维基百科

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可笑的是,造成这次事故的小错误仅仅是一根长杆被换成了两根短的。

避免麻烦是根植于人类本性的一个原则(比如如果工作只做一半就可以下班,那肯定就只做一半)。事实上原本的建设计划要求两条叠在一起的走廊由一整根长杆子支撑并固定在天花板上,就像这样:

这是一张很高端的示意图。图片来源:cracked.com

这是一张很高端的示意图。图片来源:cracked.com

看起来很简单不是么?因为悬挂在同一根长杆上,所以这个结构很坚固。但这也给安装造成了困难——杆子需要穿过两层走廊固定在天花板上。而且一般来说,越大的东西越难操作(比如把桌子分拆成零件搬回家要比把一张完整的桌子搬回家简单的多)。何况那根长杆还必须全部弄出螺纹才能使得固定上层用的螺母可以装进去,这些螺纹又很容易因为运输和安装过程中的不小心变形失去作用。

怎样把事情变得简单一点?负责制造长杆的钢铁公司把设计给改了,一根长杆换成了两根短的,如下图所示:

图片来源:cracked.com

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这样就变得易于安装了,而且看起来达到了一样的效果。然而,就是这个小小的改动导致 114 个人丢失性命,至少 216 人受伤。

为什么?让我们再看一次示意图:

图片来源:维基百科

图片来源:维基百科

如果是一根杆子就只需要两颗螺母,每一个螺母只需要承担一层平台的重量。这样设计是好的,因为每个螺母都仅仅只能支持一个平台的重量。

现在改成两根杆子后一个螺母需要承担两层平台的重量,这会导致非常可怕的事情发生。但是工程设计者和钢铁公司没有进行足够的沟通,忽略了这个看似很明显的错误。

在 1981 年 7 月 17 日的夜晚,众多游客站在走廊上观看在中庭正在举行的舞蹈比赛,导致那颗承受了巨大压力的螺母完全裂开,走廊坠毁。

裂开的螺母。图片来源:维基百科

裂开的螺母。图片来源:维基百科

在之后的判决中,负责建造的工程公司被取消了工程公司的资格,那些批准最后设计图的工程师们也失去了他们的工程师执照。而这个惨剧成为了学习工程道德和工程错误的经典例子。

在 2008 年, Skywalk 纪念基金会举办了一个集资活动,用筹集到的资金在离饭店一街区远的华盛顿广场公园建了一座花园和一座喷泉,以纪念这次事故中的罹难人士。

被风吹断的海峡大桥

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美国的塔科玛海峡大桥曾经是工程学上被人津津乐道的一个范例,直到它 1940 年坍塌坠入水中,导致一只因主人害怕而被遗留在车里的狗死掉了(其实也不是太害怕,因为他居然拿出摄像机把那个恐怖的过程拍了下来)。

如果你想学习建造一个这么巨大的东西,在工程学和物理学的课本中,这是个很经典的“不能这样做”的例子。这座桥到底出了什么问题?答案是——桥上没有洞。

普通的大桥大概是这样的:

图片来源:flickr.com

图片来源:flickr.com

你可能认为建造者是为了节省钢材才建成这种样子,但是其实这样建造是有原因的:为了让风能通过。不管一栋建筑有多么坚固,它都会被风撼动,比如迪拜塔(《碟中谍4》中阿汤哥爬的那个)在大风天中晃动幅度可达 6 英尺(大概1.8米)。最初在建造塔科玛纽约湾海峡大桥时,并没有考虑到风的问题,它根本没有设置让风通过的缺口。

后来人们也意识到了这个问题。因为只要风一吹,空气就会撼动桥梁,整桥座随之剧烈晃动。桥面因此上下摆动,振幅达几英尺,这时通过这座桥就像行走在水床上一般。只不过,在那时桥的质量依然可以保证结构的完整。

然而随着时间的积累,大桥的情况因为这种奇特的扭动却变得越来越糟。风吹得桥扭转地振动,这种振动与垂直振动和水平振动都不同。左边的路面下降时,右边的路面上升,而中线却不动,这是一种复合的扭转振动,桥梁的中点固定不动,而两边的半桥面向不同的方向扭动。

整个物理过程简单来说就是,风传给桥梁的能量多于桥梁振动所消耗的能量,这会导致振幅在每个周期中都变大。最终桥梁因过度的偏斜和压力而崩溃。引起这种颤振现象的风速叫颤振速度,即便在低速稳定的气流中,也会产生颤振。因此在设计桥梁时必须让颤振速度高于当地的最高平均风速。

塔科玛纽约湾海峡大桥就是因为越来越剧烈的颤振导致部分拉索失去了作用,桥面的重量集中到一些相继断裂的拉索上,最终主要的桥面都落入水中。但实际山在大桥垮塌之前当地政府已经开始着手处理这个问题了,他们请来工程学教授修复设计上的错误。在众多解决方案中,有一个仅仅是桥上打几个洞让风通过,这是一个很简单的办法,可惜的是,在维修方案被实施之前,桥就已经垮了。

图片来源:维基百科

图片来源:维基百科

十年之后人们重建了这座桥。终于,它浑身是洞了。

图片来源:维基百科

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参考资料:

[1] 6 Small Math Errors That Caused Huge Disasters

[2] 维基百科: de Havilland Comet , Flight deck , Hyatt Regency walkway collapse , Tacoma Narrows Bridge (1940)

The End

发布于2012-02-29, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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junglerubik

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