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阻尼是什么（阻尼特性是什么意思）-29 17:35中國(guó)數(shù)字科技館

近日，上海全市普降大雨，局部暴雨。隨著臺(tái)風(fēng)“煙花”逼近，上海維持大風(fēng)大雨的天氣，雨勢(shì)時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。百思特網(wǎng)“煙花”來(lái)勢(shì)洶洶，上海摩天大樓如何穩(wěn)如泰山？

原來(lái)，在中國(guó)第一高樓之稱的上海中心大廈上，堪稱“鎮(zhèn)樓神器”的阻尼器開(kāi)始出現(xiàn)擺動(dòng)，給摩天大樓進(jìn)行減振。

那阻尼器是什么？為什么小小的阻尼器能夠使幾百米高的大樓穩(wěn)如泰山？

阻尼，其實(shí)是一種很常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)造成阻礙，例如空氣阻尼、油阻尼、粘滯阻尼、摩擦阻尼、渦流阻尼等，都是平時(shí)的生活中我們也經(jīng)常遇到的，而阻尼器便是利用這種現(xiàn)象制作而成的一種實(shí)用工具。例如汽車內(nèi)部常見(jiàn)的減震器，其實(shí)就是阻尼器的一種。

阻尼器可以理解為一種能量轉(zhuǎn)換器。我們都知道能量守恒定律——也就是說(shuō)在封閉系統(tǒng)里，能量是不會(huì)憑空消失或者產(chǎn)生的，但是能量是可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的。比如，汽車遇到坎發(fā)生上下振動(dòng)，這個(gè)“動(dòng)”，便是機(jī)械能，“動(dòng)”引起彈簧發(fā)生形變，而形變的過(guò)程，一定會(huì)有一部分能量轉(zhuǎn)換為彈簧內(nèi)部的能量。

知道什么是阻尼器了，那么為什么高樓大廈需要阻尼器呢？

首先，導(dǎo)致大樓發(fā)生振動(dòng)主要有兩個(gè)原因，一個(gè)原因是地震了，那么大樓自然會(huì)發(fā)生振動(dòng)，另一個(gè)原因就是風(fēng)振效應(yīng)。我國(guó)大部分建筑都沒(méi)有位于地震帶上，故在此僅介紹風(fēng)振效應(yīng)。

風(fēng)振效應(yīng)涉及到的知識(shí)非常復(fù)雜，我們簡(jiǎn)單介紹一下。拿起一張白紙，用嘴使勁吹一口風(fēng)，你會(huì)感受到紙張發(fā)生了明顯振動(dòng)，同樣的，超高建筑自建成之日起，每日都在經(jīng)受這樣的“摧殘”，若不采取任何措施，先不說(shuō)居住在內(nèi)的人，建筑自己都受不了。

對(duì)于一般的由鋼筋混凝土建成的大樓而言，鋼筋本身具有彈性，我們可以將大樓看作是大型阻尼器，而越高的大樓，風(fēng)振效應(yīng)就越顯著，大樓的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度已經(jīng)不足以緩解振動(dòng)了，這就需要某種手段來(lái)緩解振動(dòng)，風(fēng)阻尼器應(yīng)運(yùn)而生。

風(fēng)阻尼器，一般叫調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，一般有三部分構(gòu)成，質(zhì)量塊、彈簧和阻尼系統(tǒng)（產(chǎn)生阻尼的裝置）。

按照阻尼系統(tǒng)來(lái)分主要有：油阻尼、黏彈阻尼、黏滯阻尼、電渦流阻尼等。油阻尼是具有代表性最早使用的阻尼元素，但是由于液壓油自身的品質(zhì)特點(diǎn)，容易受溫度的影響，阻尼系數(shù)就會(huì)發(fā)生變化。

除了電渦流阻尼器外，其余形式的阻尼都存在性質(zhì)不穩(wěn)定和需要經(jīng)常維護(hù)的缺點(diǎn)。而電渦流調(diào)諧質(zhì)量百思特網(wǎng)阻尼器采用電磁鐵或者永磁體，由于不接觸所以沒(méi)有機(jī)械摩擦、不需要潤(rùn)滑、不需要維護(hù)。大樓往左偏，阻尼器就往右，這一左一右便成功地化解了樓梯的振動(dòng)。上海中心大廈用的就是這種阻尼器，但有所創(chuàng)新。

據(jù)新聞報(bào)道，上海中心大廈采用的是世界首創(chuàng)的擺式電渦流調(diào)諧質(zhì)量阻尼器。

所謂的擺式，就是類似鐘擺一樣，懸掛于空中進(jìn)行擺動(dòng)，若不加任何措施，擺動(dòng)的鐘擺會(huì)在空氣阻力以及繩索的摩擦力作用下緩慢停止，但這個(gè)過(guò)程過(guò)于緩慢，我們需要為其附加一個(gè)強(qiáng)大的阻尼系統(tǒng)。

電渦流，便是該阻尼器采用的阻尼系統(tǒng)。當(dāng)一塊處于靜止磁場(chǎng)中導(dǎo)體板以一定相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體板中的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流，也就是電渦流，其能夠產(chǎn)生一個(gè)與靜止磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)（感生電場(chǎng)）來(lái)阻礙導(dǎo)體板與靜止磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

在感生磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)的相互作用下，晃動(dòng)的質(zhì)量塊很快就能將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，并且耗散掉，大樓也就歸于平靜了。

據(jù)上海中心百思特網(wǎng)大廈工作人員介紹，該阻尼器單邊擺幅的極限是1米，可以削減強(qiáng)風(fēng)下高層晃動(dòng)，幫助超高層建筑保持樓體穩(wěn)定和安全，可以令大廈內(nèi)90%的人能感受到較大的舒適度。自2016年啟用以來(lái)，上海中心大廈的阻尼器的擺動(dòng)幅度還沒(méi)有到達(dá)過(guò)極限狀態(tài)。

憑借著重達(dá)1000噸的阻尼器，任你狂風(fēng)暴雨，我自巋然不動(dòng)。而上海中心大廈也因此成功地經(jīng)受住了本次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“煙花”的考驗(yàn)。

（作者：梁嘉騏）

科學(xué)性把關(guān)：中科院物理所副研究員，羅會(huì)仟。

參考資料：科技日?qǐng)?bào)、新華網(wǎng)

本文來(lái)自：中國(guó)數(shù)字科技館

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