水や空気の流れの中に円柱や棒を置いたとき、その後方に交互に規則正しい渦が発生する現象をご存じでしょうか。ハンガリーの偉大な航空工学者セオドア・フォン・カルマンにちなんで名付けられたこの「カルマン渦列」は、特殊な実験室の中だけでなく、私たちの日常風景の至る所に潜んでいます。
例えば、台風などの強風が吹き荒れる日、外の電線が「ヒューヒュー」「ビュービュー」と高い音を立てて鳴っているのを聞いたことがあるはずです。また、川の中洲や橋脚の下流側に、右へ左へと交互に美しい波紋が連なっているのを見たことがあるかもしれません。あるいは、ティーカップの中でコーヒーをスプーンでかき混ぜた後、スプーンの後ろにできる小さな渦の列。さらには、人間が風の中を歩いている時でさえ、私たちの体の背後には目に見えないカルマン渦が放出されています。
カルマン渦が形成されるプロセスは非常にドラマチックです。無風状態から風が吹き始めると、最初は円柱の背後の左右に対称な一対の渦ができます。しかし、この「完璧な対称状態」は物理的に極めて不安定（アンバランス）です。自然界のわずかな乱れが生じると、左右の渦が互いに干渉し合い、右側の渦が大きく発達しては下流に千切れ飛び、次に左側の渦が発達しては千切れ飛ぶ……というように、交互に渦を放出する最も安定した「千鳥配置」のパターンへと移行します。この交互に渦を放出する際、円柱には流れと直交する方向（上下・左右）に周期的な力（変動揚力）が働くため、物体そのものを激しく揺さぶることになります。
この渦が1秒間に放出される回数（周波数・ヘルツ）は、流速と円柱の直径によって厳密に決定されます。この法則性を示すのが「ストローハル数（St）」という無次元数です。ストローハル数は「流れの運動エネルギーのうち、どれだけが渦の振動エネルギーに変換されたか」を示す指標であり、円柱の場合は広いレイノルズ数の範囲において約0.2という一定の値をとります。つまり「周波数 ＝ 0.2 × 流速 ÷ 直径」という極めてシンプルな公式が成り立つのです。
例えば、直径1cm（0.01m）の電線に、秒速10mの風が当たった場合を計算してみましょう。式に当てはめると「0.2 × 10 ÷ 0.01 ＝ 200Hz」となり、1秒間に200回の渦が発生します。人間の耳が音として聞き取れる範囲（可聴域）は20Hz〜20,000Hzですから、この200Hzの空気の振動は、はっきりとした「風切り音」として私たちの耳に届きます。ゴルフクラブや竹刀を素早く振ったときの「ビュッ」という音も全く同じ原理です。
現代の工業設計において、このカルマン渦の予測と制御は極めて重要なテーマです。自動車のドアミラー周りの風切り音を減らして車内の静粛性を高める（空力騒音対策）ための熱流体解析はもちろん、巨大な吊り橋や高層ビルが風を受けてカルマン渦を発生させ、その渦の放出周期が構造物の固有振動数と一致してしまうと、激しい「共振現象」を引き起こします。過去には、この共振によって巨大なコンクリートの橋が飴細工のようにねじれて崩落した事故（タコマナローズ橋崩落事故）もありました。流体解析ソフトは、単に流れの美しさを見るだけでなく、こうした「渦が引き起こす破壊的な振動と騒音」という致命的な問題を未然に防ぐためにも、最前線で活用されているのです。
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