【科學了不起】颱風肆虐的季節,大樓為什麼會被風吹倒?| 科學趣聞

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每到颱風肆虐的季節,在高樓林立的城市之中就時常能夠看到一種令人忐忑不安的景觀,那就是在風中搖擺的大樓。

高樓會晃動,這是人盡皆知的事情,但當我們看到大樓出現肉眼可見的晃動時,還是難免心生憂慮,大樓會被風吹倒嗎?當然會。鋼筋水泥構築的大樓難道還禁不住風吹?大樓之所以會被風吹倒,並不是因為風力有多麼強勁,而是因為一種物理現象,共振。

任何處於振動之中的物體都存在著一個固有頻率,比如左右擺動的小球以及上下振動的彈簧,在沒有外力作用的情況之下,它們屬於一種自由振動狀態。如果我們為自由振動狀態的物體加入一個外力,那麼此時它就會進入一種受迫振動的狀態,我們所施加的這個外力也是有一個頻率的,如果外力的頻率與振動物體的固有頻率趨於一致,那麼物體的振動就會變得十分劇烈,這就是共振。

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外力的頻率是大還是小並不重要,只要它的頻率與物體振動的固有頻率趨於一致,就會導致物體振動變得十分劇烈。

以鞦韆為例,當鞦韆蕩回至最高點,即將轉而向下時,我們推它一下,它就會蕩得更高,這就是我們所施加的驅動力與鞦韆擺盪的固有頻率趨於一致的結果。反之,如果鞦韆從對面高速蕩回的途中,我們奮力一推,無論我們用多大的勁,鞦韆不但不會蕩得更高,反而擺盪幅度會變小,甚至戛然而止。

對於大樓而言,風力就是外來的驅動力,當風的頻率與大樓擺動的頻率趨於一致時,就形成了共振,此時大樓就會晃得特別厲害,如果是高聳入雲的摩天大樓,則極有可能轟然倒塌。

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既然共振如此可怕,世界上那麼多的摩天大樓是如何做到在風中屹立不倒的呢?因為它們擁有定樓神器。

到底是什麼樣的定樓神器能夠幫助大樓應對共振呢,其中有著怎樣的科學原理呢?共振會導致強烈的振動,而世界上沒有無緣無故的振動,有振動就必然有能量,所以從本質上來講,是風給大樓提供了動能,大樓接收了動能,自然就要晃動,這是無可避免的。所以要想讓大樓不晃,就得把從風那裡接收而來的動能給別人,怎麼給別人呢?

1909年科學家弗拉姆發現了一個現象,就是為一個振動物體再增加一個頻率相同的振動物體後,此時施加一個與它們頻率相等的外部驅動力,非但不會產生共振,且對原本的振動物體會不產生任何影響。比如我們在一個鞦韆的下方再增加一個鞦韆,讓它們以相同的頻率擺盪,此時我們以與鞦韆擺盪相同的頻率去推,發生共振導致擺盪幅度增大的只有下方增加的鞦韆,而原本的鞦韆不會受到影響。

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弗拉姆的發現為定樓神器的發明奠定了基礎,但這個發現距離定樓神器的真正發明還有一定距離,因為在增加一個振動物體後,雖然能夠消除原有的共振,但卻會在於原本振動頻率不一致的兩個地方出現兩個新增的共振點。

風的頻率是無法確定的,所以只要有共振點的存在,就無法消除大樓被風吹倒的危險。後來,經過研究,科學家們發現,只要增大新增物體的銜接強度,就能夠減小共振的威力,這是因為,銜接強度增加之後,就等於新增物體的擺動阻力增加了,而阻力會消耗動能,如此便有效減小了共振的威力,至此,定樓神器正式誕生,它就是“風阻尼器”。

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風阻尼器的結構是這樣的:在摩天大樓的內部懸掛一個巨大的金屬球,摩天大樓的質量和結構強度都是已知的,所以就可以計算出大樓擺動的固有頻率,之後只需要確定懸掛的長度,就可以讓這個金屬球的擺動頻率與大樓的固有頻率趨於一致。

之後就是為這個金屬球增加阻力,一般是透過在金屬球的下方增加阻尼杆的方式來實現的。這就是一個完整的風阻尼器。當外部風力與大樓的擺動頻率趨於一致的時候,原本被大樓所接收的動能會傳給風阻尼器,由於阻尼杆的存在,動能被大量消耗,所以風阻尼器和大樓的擺動都處於一種可以接受的範圍之內,這就是摩天大樓能夠屹立不倒的原因所在。摩天大樓之中的風阻尼器是非常巨大的,因為它至少要達到大樓質量的百分之一才能夠起效,所以一般大樓中的風阻尼器都重達數百噸,有些甚至可以達到上千噸,一般需要五六層樓的高度才可以容納的下。很多摩天大樓頂部的風阻尼器區域是開放的,有機會我們可以親身去感受一下。

TAG: 大樓振動共振鞦韆頻率