每到臺風肆虐的季節(jié)，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(xiàn)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。鋼筋水泥構筑的大樓難道還禁不住風吹？大樓之所以會被風吹倒，并不是因為風力有多么強勁，而是因為一種物理現(xiàn)象，共振。

任何處于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，它們屬于一種自由振動狀態(tài)。如果我們?yōu)樽杂烧駝訝顟B(tài)的物體加入一個外力，那么此時它就會進入一種受迫振動的狀態(tài)，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于一致，那么物體的振動就會變得十分劇烈，這就是共振。

外力的頻率是大還是小并不重要，只要它的頻率與物體振動的固有頻率趨于一致，就會導致物體振動變得十分劇烈。

以秋千為例，當秋千蕩回至最高點，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秋千擺蕩的固有頻率趨于一致的結果。反之，如果秋千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，秋千不但不會蕩得更高，反而擺蕩幅度會變小，甚至戛然而止。

對于大樓而言，風力就是外來的驅動力，當風的頻率與大樓擺動的頻率趨于一致時，就形成了共振，此時大樓就會晃得特別厲害，如果是高聳入云的摩天大樓，則極有可能轟然倒塌。

既然共振如此可怕，世界上那么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。

到底是什么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(zhì)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，就得把從風那里接收而來的動能給別人，怎么給別人呢？

1909年科學家弗拉姆發(fā)現(xiàn)了一個現(xiàn)象，就是為一個振動物體再增加一個頻率相同的振動物體后，此時施加一個與它們頻率相等的外部驅動力，非但不會產(chǎn)生共振，且對原本的振動物體會不產(chǎn)生任何影響。比如我們在一個秋千的下方再增加一個秋千，讓它們以相同的頻率擺蕩，此時我們以與秋千擺蕩相同的頻率去推，發(fā)生共振導致擺蕩幅度增大的只有下方增加的秋千，而原本的秋千不會受到影響。

弗拉姆的發(fā)現(xiàn)為定樓神器的發(fā)明奠定了基礎，但這個發(fā)現(xiàn)距離定樓神器的真正發(fā)明還有一定距離，因為在增加一個振動物體后，雖然能夠消除原有的共振，但卻會在于原本振動頻率不一致的兩個地方出現(xiàn)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。后來，經(jīng)過研究，科學家們發(fā)現(xiàn)，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，銜接強度增加之后，就等于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”。

風阻尼器的結構是這樣的：在摩天大樓的內(nèi)部懸掛一個巨大的金屬球，摩天大樓的質(zhì)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，之后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于一致。

之后就是為這個金屬球增加阻力，一般是通過在金屬球的下方增加阻尼桿的方式來實現(xiàn)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于一致的時候，原本被大樓所接收的動能會傳給風阻尼器，由于阻尼桿的存在，動能被大量消耗，所以風阻尼器和大樓的擺動都處于一種可以接受的范圍之內(nèi)，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(zhì)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(shù)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(qū)域是開放的，有機會我們可以親身去感受一下。


關注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復【最新活動】，了解近期科普活動
回復【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回復【研學營】，了解最新科普研學營
回復【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復【團體定制】，了解最新團體定制活動
回復【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復【觀鳥知識】，學習觀鳥相關科普知識
回復【博物學院】，了解更多博物學院活動詳情