文／簡麗賢　

台北1O1是全球第一座高度超過500公尺的摩天大樓，我站在觀景台俯瞰台北城，思及杜甫讚歎雄偉的泰山「會當凌絕頂，一覽眾山小」，我們也會說：「台北的建築竟如此渺小而密集。」

然而，到台北1O1絕不能僅觀賞櫛比鱗次的建築，眺望遠方的風景，因為這座大樓是蘊藏科學知識的物理教室。

擺動能量 先行耗盡



歷史是一面鏡子，1985年9月在墨西哥西海岸發生芮氏規模約8.1的劇震，因地震波傳遞能量而產生共振效應，是當時墨西哥市內高樓大廈倒塌的原因之一。以史為鑑，設計與建築台北101，必須考慮天然災害和共振效應。

台灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海洋板塊的交界帶，每年有感地震和無感地震的總次數接近2000次，颱風威脅十餘次。台北101樓高超過500公尺，如何面對天災頻繁挑戰？由於減緩大樓晃動程度是必要，風阻尼球（wind damper）的設計應運而生。

「阻尼」的意思是「阻止」，風阻尼球就是阻止晃動，減緩大樓因地震波或強風吹襲所引起的擺動效應。好比一個在空氣中會左右擺動的物體，放在水中就很難擺動，因為水會對此物體施力，此力量如同拖曳力，會耗盡擺動中物體的能量，最後水中的物體不再擺動。

大樓內共有17具風阻尼球，其中唯一外露公開展示的質量球，不僅聞名遐邇，更是世界最大的風阻尼球，重量約66萬公斤重，直徑約5.5公尺，由實心鋼板堆疊焊接而成，是結合4個來自不同國家的工程師的智慧結晶。

慣性、摩擦 減緩晃動



2015年8月8日，「蘇迪勒」颱風強襲台北101，風阻尼球擺動幅度接近100公分，擺動幅度創歷史新高。台北101大樓受到颱風、地震而開始搖晃時，懸掛的風阻尼球以「質量特別大」的物理特性，執行一連串減震的任務，透過慣性和接觸面摩擦的交互作用，最多能幫大樓減緩40%的晃動程度。

當大樓受地震波或颱風吹襲而晃動時，風阻尼球的特大質量受地球的吸引力會透過鋼纜拉住大樓，並以反方向與大樓相對擺動。風阻尼質量球擺動時，下方的油壓阻尼器會像彈簧拉伸或壓縮。透過拉伸或壓縮的過程，產生極大的摩擦力，會吸收與耗散大樓振動時的動能，讓具有阻尼功能的質量球逐漸停止擺動，使大樓逐漸靜止。

處處留心皆學問，以科學之眼參觀台北101，別有一番物理之美。

阻尼簡諧運動

阻尼（damping）是指振動中的物體受阻力或摩擦力作用，振動程度會逐漸下降的特性。

我們可以將風阻尼球看作小角度擺動的單擺，近似物理學直線來回振動的簡諧運動，週期約6.9秒，與台北101大樓的自然振動週期6.8秒很相近，二者的自然頻率幾乎相等。當發生地震或颱風時，101大樓晃動造成阻尼器因慣性而與大樓產生反向相對運動，使阻尼球在反向共振(resonance)的伸縮過程中，吸收大樓振動的動能，使大樓歸於平靜。