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隨著樓房變得越來越高，越來越瘦，它們也越容易被風(fēng)吹得晃起來。

在 1929 年的《摩天大樓》（Skyscraper）7 月刊上，有一項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)美國已經(jīng)有 377 棟 20 多層高的樓房，其中有 10 棟超過 152 米。

但奇怪的事情發(fā)生了：即使只有微風(fēng)，在 40 多層樓上室內(nèi)的一些職員也能感受到樓房在晃動(dòng)，甚至可能出現(xiàn)類似暈船的癥狀。

那么，住在高層的人，有過這種感受嗎？

一直在晃動(dòng)

其實(shí)，從未有人研究過高樓在風(fēng)中的行為。直到 1929 年左右，David Cushman Coyle 發(fā)明了一款可攜帶的水平擺式地震儀。他挑了一些刮風(fēng)天，把這款設(shè)備帶到紐約一棟棟高樓的樓頂上。這個(gè)設(shè)備由兩根杠桿組成，每個(gè)杠桿都攜帶一面鏡子，能將入射光線反射到另一卷感光紙上。他將 2 根杠桿調(diào)平，以便分別測量高樓的側(cè)向移動(dòng)和表面傾斜，并最終被感光紙記錄了下來。

Coyle 發(fā)現(xiàn)，面對(duì)吹來的風(fēng)，每棟高樓的表現(xiàn)都有所不同。感光紙上記錄的波形線表示，高樓可能每分鐘都要“哆嗦”40 下，頻次少一點(diǎn)的也要 8 次。Coyle 想到，或許正是這些幅度較小但重復(fù)發(fā)生的振動(dòng)，讓室內(nèi)的掛燈以最高可達(dá)數(shù)英尺（1 英尺約為 0.3 米）的幅度晃動(dòng)，并使浴缸里的水泛起波瀾。不過，在他測試的高樓中，并沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的安全性問題。

圖片來源：Popular Science Monthly, January, 1931

這似乎成為了工程界的“秘密”——隨著樓房變得越來越高，越來越瘦，它們也越容易被風(fēng)晃起來。

如果給單擺施加一個(gè)外力，它就能離開平衡位置。此后，如果一直施加外力，它做的就是受迫振動(dòng)。但就算撤掉外力，它也能做自由振動(dòng)，即在無阻力的條件下按一定的頻率振動(dòng)，相應(yīng)的頻率叫做固有頻率。

現(xiàn)在，我們需要像工程師一樣思考：高樓不完全是剛性的，能夠擺起來。那么，倒過來的單擺就可以被當(dāng)作高樓的物理模型。

因此，在持續(xù)風(fēng)力的作用下，高樓會(huì)偏離平衡位置而做受迫振動(dòng)。而且，對(duì)于風(fēng)來說，高樓也是個(gè)障礙，所以會(huì)選擇繞道而行，從樓的兩邊繞過去。這時(shí)，風(fēng)會(huì)在樓的后方形成渦旋并脫落，被稱作渦旋脫落。此外，風(fēng)繞過的同時(shí)產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生吸力（suction force），將樓房吸過來。這又會(huì)反過來影響樓房周圍的流場，如此循環(huán)往復(fù)便使樓房來回晃了起來。當(dāng)渦旋脫落的頻率與樓房固有頻率相當(dāng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，這在工程學(xué)上叫做渦激振動(dòng)。

繞過圓柱后形成的渦激振動(dòng)。圖片來源：A. Placzek/Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

再回到倒立的單擺，隨著單擺長度的增加（樓層增加），振動(dòng)周期會(huì)變長，而振動(dòng)頻率則會(huì)降低。因此，不只是強(qiáng)風(fēng)才能造成破壞，速度較低的風(fēng)（頻率較低）反而更容易引發(fā)高樓的渦激振動(dòng)，例如 2021 年深圳賽格大廈發(fā)生的明顯晃動(dòng)就主要是由渦激振動(dòng)引起的。

工程師把這個(gè)“秘密”放在心里，但在設(shè)計(jì)時(shí)，他們不僅在思考如何讓高樓抵抗較高的風(fēng)荷載，還在尋找與風(fēng)“共存”的方式。在此前提下，更重要的是，工程師還需要通過設(shè)計(jì)“瞞”住室內(nèi)的人，讓他們感覺不到樓房的晃動(dòng)，即使晃動(dòng)幾乎一直都在發(fā)生。

感覺到晃動(dòng)

事實(shí)上，人類很難感知速度，例如在勻速行駛的汽車或火車上，如果沒有參照物，我們幾乎感覺不到自己在前進(jìn)。不過，我們對(duì)加速度卻格外敏感，比如突然剎車和飛機(jī)降落時(shí)，速度的變化讓身體立即做出反應(yīng)而被切實(shí)地感受到。工程師想知道的是，高層上的人對(duì)加速度究竟有多么敏感。

經(jīng)過訓(xùn)練的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員有時(shí)需要承受 4 個(gè)重力加速度，而 100 層高樓的振動(dòng)加速度則只有重力加速度的百分之一，這對(duì)大多數(shù)人而言是難以被感知到的。但相比于測試樓房的振動(dòng)加速度，我們更難明確不同的人對(duì)加速度的敏感性和承受力。例如，在一系列叫做“moving room”的實(shí)驗(yàn)中，研究人員用風(fēng)洞模擬了一個(gè)移動(dòng)的房間，并通過改變移動(dòng)頻率和加速度來研究受試者的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 5 位受試者中，可能會(huì)有一位在房間停止移動(dòng)時(shí)認(rèn)為房間還在動(dòng)。這種錯(cuò)覺類似于，旁邊的列車先開動(dòng)了，但我們以為是自己乘坐的那輛列車先動(dòng)了。

The Mooving Room。圖片來源：Beno?t G. Bardy

不過如今，科學(xué)家認(rèn)為最敏感的人可能會(huì)在 0.03 到 0.04 個(gè)重力加速度時(shí)感知到樓房的晃動(dòng)，并在 0.1 到 0.2 個(gè)重力加速度時(shí)感到不安。在美國過去 30 年間，工程標(biāo)準(zhǔn)指出，在每十年一遇的颶風(fēng)面前，摩天大樓（住房用）最高層的晃動(dòng)頻率不能超過 0.15 到 0.18 個(gè)重力加速度。這時(shí)候，工程師可能會(huì)用到阻尼器來抵消樓房的振動(dòng)，或改變樓房的外形，例如上海中心大廈螺旋上升的結(jié)構(gòu)，以及上海環(huán)球金融中心上方特意開出的洞。

樓房在“發(fā)聲”

在物理課堂上，你可能見過老師用音叉來演示振動(dòng)：敲擊音叉，在讓旁邊小球振動(dòng)的同時(shí)，還能發(fā)出聲音。同樣地，當(dāng)風(fēng)“敲”擊樓房時(shí)，也能產(chǎn)生聲音，但通常由于頻率過低（小于 20 Hz）而難以被人聽到。但也有例外，只不過聲音并沒有那么優(yōu)美。

2021 年 7 月，news.com.au 網(wǎng)站上曾發(fā)表一篇報(bào)道稱，位于墨爾本的一些居民抱怨在高層公寓的晚上就像置身于一場恐怖電影一樣，從屋頂莫名傳出的嘎吱嘎吱聲讓他們難以入睡。當(dāng)時(shí)，墨爾本經(jīng)歷了幾天惡劣的天氣。建筑商表示，在強(qiáng)風(fēng)的條件下，高層公寓原本就會(huì)“發(fā)出聲音”，但他們也會(huì)做進(jìn)一步的調(diào)查。那么，天氣果真會(huì)讓高樓“出聲”嗎？

對(duì)于這個(gè)問題，我們得從建筑物的材料入手。建筑物多是由鋼、混凝土和塑料構(gòu)成，它們會(huì)隨著溫度的升高和降低而分別膨脹和壓縮，這部分材料可能會(huì)繃緊或互相發(fā)生摩擦，于是便會(huì)產(chǎn)生砰、咯嗒、噼啪等的聲音。

不過，BonnieSchnitta 表示，高層樓房發(fā)出的聲音大多來自管道和非承載墻，而不會(huì)影響樓房的主要承載結(jié)構(gòu)。Schnitta 是美國紐約一家聲學(xué)咨詢公司的創(chuàng)始人和 CEO。她還說，當(dāng)房頂和地板不是同步振動(dòng)時(shí)，也可能會(huì)由于上方和下方相互拉扯的張力而產(chǎn)生如槍聲般的砰砰聲。但這些并不是不能解決，最常用的方案是在墻的拐點(diǎn)處安裝柔性的鉸接。

最后

1983 年，當(dāng)颶風(fēng)艾麗西亞襲擊美國休斯頓時(shí)，有 2 位工程師 Robert Halvorson 和 Michael Fletcher 頂著大風(fēng)來到了富國銀行廣場（當(dāng)時(shí)叫做 Allied Bank Plaza）的樓頂。他們想要在這里測試這棟 71 層高樓在颶風(fēng)中的表現(xiàn)。盡管腳下的地板在上下劇烈地振蕩，但他們心里確信這棟樓的結(jié)構(gòu)沒有損壞，因?yàn)檫@是他們工程師精心設(shè)計(jì)出來的。

盡管歷史上記載了許多樓房倒塌的事件，如 1995 年韓國三豐百貨店倒塌事件，法國戴高樂機(jī)場 2E 候機(jī)廳坍塌事件，但這些大都是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)承載發(fā)生了問題。如果在前期設(shè)計(jì)和風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M時(shí)做得足夠嚴(yán)密和精確，或許就能減少類似災(zāi)難的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.insidescience.org/news/why-skinny-skyscrapers-are-so-loud-and-how-quiet-them

[2]https://gizmodo.com/how-much-do-skyscrapers-actually-move-1707522178

[3]https://books.google.co.jp/books?id=BCgDAAAAMBAJ&pg=PA28&lpg=PA28&dq=New+machine+proves+skyscrapers+shiver+in+wind&source=bl&ots=8CPpRZDqiq&sig=ACfU3U0fyPQsWAUVxhOKKWb6JB98y-a9kw&hl=zh-CN&sa=X&ved=2ahUKEwiSpZvAmsf3AhVR-mEKHaa3AQIQ6AF6BAg_EAM#v=onepage&q=New%20machine%20proves%20skyscrapers%20shiver%20in%20wind&f=false

[4]https://www.theb1m.com/video/how-tall-buildings-tame-the-windhttps://discovery.ucl.ac.uk/id/eprint/10123414/1/Littler_10123414_thesis.pdf

[5]https://www.news.com.au/finance/real-estate/like-a-horror-film-melbourne-highrise-residents-haunted-by-creepy-sound/news-story/e7d00d50f979bc5de55083e4e951c256

[6]https://minnesota.cbslocal.com/2014/01/07/good-question-why-do-our-houses-make-noise-when-its-cold/

[7]https://asa.scitation.org/doi/10.1121/10.0007620

策劃制作

來源丨環(huán)球科學(xué)（ID：huanqiukexue）

作者丨王怡博

責(zé)編丨一諾

審校丨徐來、林林

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