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为啥刮大风时,高层建筑的玻璃窗跟「纸糊」的一样,一吹就破?

2024-04-03科学

近日,由于南昌强对流天气,而形成大风的天气,根据当地气象局记录的信息,在凌晨2-3点的时候,在短短的两分钟内,风力突然从4级飙升到11级。

从一些发布的视频记录来看,在巨大的风力作用下,窗户就跟「纸糊」的一样,一吹就破碎开来。甚至在一个小区中,奶奶和孙子水睡在被窝里,都被风给卷走了。

为何11级大风威力这么大?

很多人可能对11级大风没有概念,到11级大风,已经与一般的风有很大的差别,属于暴风和飓风的范畴了。

1-3级大风都比较小,3级属于微风,树叶和树枝开始摇动,4级风可以吹起灰尘和纸张,到5级风的时候,小树开始摇摆,水面开始吹起波纹。

从6级开始,就属于强风了,到这个级别的风大树树枝开始摇晃,电线被吹动发出呼呼响声,这个时候在地面上走路打伞难以行走。

7级风,这个时候全部树木都开始摇动,发出巨大的响声,这个时候,即便人不打伞,迎风走路都感觉有很大的阻力。

8级大风,这个时候在大风的作用下,树枝开始被折断,人在迎风行走的时候,好像有人在推着,感觉寸步难行,一般这个风力,渔船都暂停出海。

9级烈风,建筑物上的烟囱会有损坏,瓦片开始被吹飞,大树上的树枝被大范围折断,这个时候人已经无法行走,就连海面上的汽船都行驶困难。

10级狂风,这种风已经平时陆地上就比较少见了,房顶开始被掀翻,树木被连根拔起,一般的吨位不大的汽船,遇到也很危险,这个风力,体重稍微轻一些,有可能被吹飞起来。

11级暴风,海面上汽船碰到异常危险,这个风力等级在陆地上异常罕见,也就是南昌这次遇到的大风。树木被连根拔起,这次南昌遭遇11级暴风,市区内,就有大面积的树木被连根拔起。许多房屋在暴风中被损毁,这个风力已经可以把人吹飞了。

从上面可以看出,11级暴风有多可怕,许多人一辈子恐怕连8级大风很难遇到,更不用说是11级暴风了。但是从这次南昌遭遇11级暴风来看,基本上遭到破坏比较大的都是高层,而底层反而比较少,而人被风吹走的人,也基本上都住在20层以上

那么同样是面对11级大风,为何底层的住户受到的伤害比较小,而高层受到的伤害却如此大呢?

为何高层「风速」会快一些呢?

这里主要有几个方面的原因,首先是狭管效应,这个效应是指风从开阔地带向狭小地方流动的时候,空气不会像水一样出现堆积,会加速通过狭小区域,在这个过程中风力会加速。

而如今很多小区建筑密集,当暴风从开阔地带吹进小区里面后,由于建筑物阻挡,形成一个个狭小的流动空间,就形成了狭管效应,对风有加速效果。

除了狭管效应外,一个重要因素就是风廊线。

风廊线 形成的原因,就是地面对风力有摩擦作用,当风从地面上走的时候,会降低风速。而越往高处,其会形成一个指数级增长。例如:

当高度为10 米,风速为 10 米/秒时(3级风),那么在 100 米高度的风速将会达到 25.1 米/秒(6级风),而在 200 米高度的风速将会达到 35.4 米/秒(8级大风)。

风廊线有个计算公式,是专门用来计算不同高度的风,其风速大概有多少,一般20层以上的住户,高度已经超过了60米,那么与底层住户相比对风的感受度就有很大的不同。

住在底层的住户由于靠近地面,对风力有摩擦作用,所以其感受到的风也许就不到11级,而住在高层的住户,由于风廊线,其感受到的风力,可能就超过了11级。

正是这个原因,所以,高低层感受到的风速,其实是不同的,那么住在高层受到伤害的几率就会大不少。

为何高层窗户面对「暴风」,就跟纸糊的一样呢?

涉及高层建筑,就要涉及到一个概念,那就是共振。

任何建筑物都有其自身固有的振动频率,这种振动频率在平时比较稳定,而在暴风的作用下,会逐渐让高层建筑的振动频率与其同步,也就是产生共振。这个时候,住在高层的人,会感到建筑物在摇晃。

而当形成共振后,建筑物面对的应力会增强,其内部结构也变得不太稳定。许多超高建筑物,一般是利用阻尼器来对抗暴风产生的共振。

但是一般的高层住宅没有配备阻尼器,在面对暴风的时候,只有硬抗,在建筑物产生共振变得不稳定的时候,门窗这些就比较容易被吹破。

除了共振外,还有一个原因,就是风载荷。

风载荷是指空气在流动过程中,作用到物体上的作用力。风载荷与风速成平方成正比的关系,当风速增加一倍的时候,风载荷就会相应的增加四倍。

当出现11级大风、经过狭管效应放大、又由于高空风廊线的进一步增强,这个时候11级的风,已经远远高于11级了。

当建筑物产生共振,内部结构不稳定的时候,风载荷再来一个4倍的暴击,窗户就如同「纸糊」的一样,一吹就破。

而当窗户被吹破后,根据伯努利原理,当流体在快速运动的时候,其内部的压力就会下降。这个时候就与室内形成了压力差。室内压力大、而室外压力小。

当窗户被吹倒的一瞬间,房间内部会形成一个涡流,形成强大的吸力,把人吸到外面。这个过程就像高速行驶的高铁,会自带吸力一样。这也是为何不让站在高铁附近的原因。

从上面的分析可以看出,在高层建筑面对暴风的时候,经过多次赋能,让风力越来越大,越来越强,把窗户轻易就撕裂开来。

所以,在高层建筑碰到暴风的时候,最好远离迎风的那一面,以免窗户破碎后,产生的吸力,把人吸出室外。如果条件允许,加装一个隐形防盗窗,也多了一层防护。