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为什么上海中心大厦的“慧眼”阻尼器能硬刚14级台风？一个实验看明白 | 正经玩

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-09-21 11:00

正文

贝碧嘉刚走，普拉桑又来了

“慧眼”为啥能救上海中心大厦

看看阻尼器是如何挽狂澜于既倒，

扶大厦之将倾

实验器材

空瓶、重物、绳子、电吹风、所标杯

实验步骤

第一步：

给瓶盖穿孔。

第二步：

用绳子将重物绑住，作为我们的“慧眼”阻尼器。

第三步：

将绳的另一头穿过瓶盖。然后打一个死结，将绳子的一端固定住。

第四步：

将阻尼器放进瓶中。我们的“上海中心大厦”就大功告成啦！

第五步：

将一个的空瓶和装有阻尼器的空瓶并排放置。用电吹风模拟“台风”吹向两座大厦。如下方视频所示，没有安装阻尼器的“大厦”在“台风”的作用下轻易的吹倒了，而安装了阻尼器的“上海中心大厦”在“台风”的攻击下稳如泰山。即便我们增大了台风的风力，“上海中心大厦”仍旧无法被吹到。

需要注意的是，演示实验中，两座“大厦”的质量有所差别。这种质量差也对“大厦”的稳定性产生了重要的影响。在大风的影响下，实验中质量更重的“大厦”因为惯性的缘故而难以被动摇。因此，其稳定性也越佳。然而，现实的摩天大楼并不会刻意追求自身重量的提升以提高稳定性。因为更大的重量会对地基等结构基础提出更高的要求。

在阻尼器的帮助下，这种大厦不仅可以硬刚台风，还能和“地震”掰一掰手腕。如下方视频所示，我们用手摇托盘的方式模拟地震，安装有阻尼器的大厦很难被震倒。

更加直观来看，我们使用可以调节频率的振动器模拟地震。如下方视频所示，安装有阻尼器的大厦中，阻尼器随着地面振动而摆动，从而抵消地震造成的影响。

原理解说

上海中心大厦中的“慧眼”阻尼器本质上是一种调谐质量阻尼器。其核心是一个大质量块，这个质量块的惯性是其功能的关键。阻尼器的设计原则是使其自振频率与待控制结构的振动频率（如风引起的振动）相匹配。

当建筑物或桥梁受到外界扰动而发生振动时，调谐质量阻尼器会感知到这种振动。当结构振动时，调谐质量块也开始振动，由于质量块的移动产生的反作用力会与原结构的振动产生相互作用，能量从结构传递到质量块。

根据牛顿第二定律，物体的加速度与其所受的力成正比，而与其质量成反比，因此，较大的质量块会在振动中产生显著的反作用力，以抑制结构的运动。

另外，质量块的重心位置影响其对整个系统的稳定性和动态响应，当结构发生运动时，重心的运动会影响质量块的动态行为，适当的重心布置可以帮助提高阻尼器的效率，使其能更有效地对抗结构的振动。

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