本文参加百家号 #科学了不起#系列征文赛 。
每到台风肆虐的季节 ， 在高楼林立的城市之中就时常能够看到一种令人忐忑不安的景观 ， 那就是在风中摇摆的大楼 。
高楼会晃动 ， 这是人尽皆知的事情 ， 但当我们看到大楼出现肉眼可见的晃动时 ， 还是难免心生忧虑 ， 大楼会被风吹倒吗？当然会 。 钢筋水泥构筑的大楼难道还禁不住风吹？大楼之所以会被风吹倒 ， 并不是因为风力有多么强劲 ， 而是因为一种物理现象 ， 共振 。
任何处于振动之中的物体都存在着一个固有频率 ， 比如左右摆动的小球以及上下振动的弹簧 ， 在没有外力作用的情况之下 ， 它们属于一种自由振动状态 。 如果我们为自由振动状态的物体加入一个外力 ， 那么此时它就会进入一种受迫振动的状态 ， 我们所施加的这个外力也是有一个频率的 ， 如果外力的频率与振动物体的固有频率趋于一致 ， 那么物体的振动就会变得十分剧烈 ， 这就是共振 。
【摩天大楼|大楼会被风吹倒吗？众多摩天大楼如何能屹立不倒？全靠定楼神器】外力的频率是大还是小并不重要 ， 只要它的频率与物体振动的固有频率趋于一致 ， 就会导致物体振动变得十分剧烈 。
以秋千为例 ， 当秋千荡回至最高点 ， 即将转而向下时 ， 我们推它一下 ， 它就会荡得更高 ， 这就是我们所施加的驱动力与秋千摆荡的固有频率趋于一致的结果 。 反之 ， 如果秋千从对面高速荡回的途中 ， 我们奋力一推 ， 无论我们用多大的劲 ， 秋千不但不会荡得更高 ， 反而摆荡幅度会变小 ， 甚至戛然而止 。
对于大楼而言 ， 风力就是外来的驱动力 ， 当风的频率与大楼摆动的频率趋于一致时 ， 就形成了共振 ， 此时大楼就会晃得特别厉害 ， 如果是高耸入云的摩天大楼 ， 则极有可能轰然倒塌 。
既然共振如此可怕 ， 世界上那么多的摩天大楼是如何做到在风中屹立不倒的呢？因为它们拥有定楼神器 。
到底是什么样的定楼神器能够帮助大楼应对共振呢 ， 其中有着怎样的科学原理呢？共振会导致强烈的振动 ， 而世界上没有无缘无故的振动 ， 有振动就必然有能量 ， 所以从本质上来讲 ， 是风给大楼提供了动能 ， 大楼接收了动能 ， 自然就要晃动 ， 这是无可避免的 。 所以要想让大楼不晃 ， 就得把从风那里接收而来的动能给别人 ， 怎么给别人呢？
1909年科学家弗拉姆发现了一个现象 ， 就是为一个振动物体再增加一个频率相同的振动物体后 ， 此时施加一个与它们频率相等的外部驱动力 ， 非但不会产生共振 ， 且对原本的振动物体会不产生任何影响 。 比如我们在一个秋千的下方再增加一个秋千 ， 让它们以相同的频率摆荡 ， 此时我们以与秋千摆荡相同的频率去推 ， 发生共振导致摆荡幅度增大的只有下方增加的秋千 ， 而原本的秋千不会受到影响 。
弗拉姆的发现为定楼神器的发明奠定了基础 ， 但这个发现距离定楼神器的真正发明还有一定距离 ， 因为在增加一个振动物体后 ， 虽然能够消除原有的共振 ， 但却会在于原本振动频率不一致的两个地方出现两个新增的共振点 。
风的频率是无法确定的 ， 所以只要有共振点的存在 ， 就无法消除大楼被风吹倒的危险 。 后来 ， 经过研究 ， 科学家们发现 ， 只要增大新增物体的衔接强度 ， 就能够减小共振的威力 ， 这是因为 ， 衔接强度增加之后 ， 就等于新增物体的摆动阻力增加了 ， 而阻力会消耗动能 ， 如此便有效减小了共振的威力 ， 至此 ， 定楼神器正式诞生 ， 它就是“风阻尼器” 。
风阻尼器的结构是这样的：在摩天大楼的内部悬挂一个巨大的金属球 ， 摩天大楼的质量和结构强度都是已知的 ， 所以就可以计算出大楼摆动的固有频率 ， 之后只需要确定悬挂的长度 ， 就可以让这个金属球的摆动频率与大楼的固有频率趋于一致 。
之后就是为这个金属球增加阻力 ， 一般是通过在金属球的下方增加阻尼杆的方式来实现的 。 这就是一个完整的风阻尼器 。 当外部风力与大楼的摆动频率趋于一致的时候 ， 原本被大楼所接收的动能会传给风阻尼器 ， 由于阻尼杆的存在 ， 动能被大量消耗 ， 所以风阻尼器和大楼的摆动都处于一种可以接受的范围之内 ， 这就是摩天大楼能够屹立不倒的原因所在 。 摩天大楼之中的风阻尼器是非常巨大的 ， 因为它至少要达到大楼质量的百分之一才能够起效 ， 所以一般大楼中的风阻尼器都重达数百吨 ， 有些甚至可以达到上千吨 ， 一般需要五六层楼的高度才可以容纳的下 。 很多摩天大楼顶部的风阻尼器区域是开放的 ， 有机会我们可以亲身去感受一下 。
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