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為啥刮大風時,高層建築的玻璃窗跟「紙糊」的一樣,一吹就破?

2024-04-03科學

近日,由於南昌強對流天氣,而形成大風的天氣,根據當地氣象局記錄的資訊,在淩晨2-3點的時候,在短短的兩分鐘內,風力突然從4級飆升到11級。

從一些釋出的影片記錄來看,在巨大的風力作用下,窗戶就跟「紙糊」的一樣,一吹就破碎開來。甚至在一個小區中,奶奶和孫子水睡在被窩裏,都被風給卷走了。

為何11級大風威力這麽大?

很多人可能對11級大風沒有概念,到11級大風,已經與一般的風有很大的差別,屬於暴風和颶風的範疇了。

1-3級大風都比較小,3級屬於微風,樹葉和樹枝開始搖動,4級風可以吹起灰塵和紙張,到5級風的時候,小樹開始搖擺,水面開始吹起波紋。

從6級開始,就屬於強風了,到這個級別的風大樹樹枝開始搖晃,電線被吹動發出呼呼響聲,這個時候在地面上走路打傘難以行走。

7級風,這個時候全部樹木都開始搖動,發出巨大的響聲,這個時候,即便人不打傘,迎風走路都感覺有很大的阻力。

8級大風,這個時候在大風的作用下,樹枝開始被折斷,人在迎風行走的時候,好像有人在推著,感覺寸步難行,一般這個風力,漁船都暫停出海。

9級烈風,建築物上的煙囪會失真壞,瓦片開始被吹飛,大樹上的樹枝被大範圍折斷,這個時候人已經無法行走,就連海面上的汽船都行駛困難。

10級狂風,這種風已經平時陸地上就比較少見了,房頂開始被掀翻,樹木被連根拔起,一般的噸位不大的汽船,遇到也很危險,這個風力,體重稍微輕一些,有可能被吹飛起來。

11級暴風,海面上汽船碰到異常危險,這個風力等級在陸地上異常罕見,也就是南昌這次遇到的大風。樹木被連根拔起,這次南昌遭遇11級暴風,市區內,就有大面積的樹木被連根拔起。許多房屋在暴風中被損毀,這個風力已經可以把人吹飛了。

從上面可以看出,11級暴風有多可怕,許多人一輩子恐怕連8級大風很難遇到,更不用說是11級暴風了。但是從這次南昌遭遇11級暴風來看,基本上遭到破壞比較大的都是高層,而底層反而比較少,而人被風吹走的人,也基本上都住在20層以上

那麽同樣是面對11級大風,為何底層的住戶受到的傷害比較小,而高層受到的傷害卻如此大呢?

為何高層「風速」會快一些呢?

這裏主要有幾個方面的原因,首先是狹管效應,這個效應是指風從開闊地帶向狹小地方流動的時候,空氣不會像水一樣出現堆積,會加速透過狹小區域,在這個過程中風力會加速。

而如今很多小區建築密集,當暴風從開闊地帶吹進小區裏面後,由於建築物阻擋,形成一個個狹小的流動空間,就形成了狹管效應,對風有加速效果。

除了狹管效應外,一個重要因素就是風廊線。

風廊線 形成的原因,就是地面對風力有摩擦作用,當風從地面上走的時候,會降低風速。而越往高處,其會形成一個指數級增長。例如:

當高度為10 米,風速為 10 米/秒時(3級風),那麽在 100 米高度的風速將會達到 25.1 米/秒(6級風),而在 200 米高度的風速將會達到 35.4 米/秒(8級大風)。

風廊線有個計算公式,是專門用來計算不同高度的風,其風速大概有多少,一般20層以上的住戶,高度已經超過了60米,那麽與底層住戶相比對風的感受度就有很大的不同。

住在底層的住戶由於靠近地面,對風力有摩擦作用,所以其感受到的風也許就不到11級,而住在高層的住戶,由於風廊線,其感受到的風力,可能就超過了11級。

正是這個原因,所以,高低層感受到的風速,其實是不同的,那麽住在高層受到傷害的機率就會大不少。

為何高層窗戶面對「暴風」,就跟紙糊的一樣呢?

涉及高層建築,就要涉及到一個概念,那就是共振。

任何建築物都有其自身固有的振動頻率,這種振動頻率在平時比較穩定,而在暴風的作用下,會逐漸讓高層建築的振動頻率與其同步,也就是產生共振。這個時候,住在高層的人,會感到建築物在搖晃。

而當形成共振後,建築物面對的應力會增強,其內部結構也變得不太穩定。許多超高建築物,一般是利用阻尼器來對抗暴風產生的共振。

但是一般的高層住宅沒有配備阻尼器,在面對暴風的時候,只有硬抗,在建築物產生共振變得不穩定的時候,門窗這些就比較容易被吹破。

除了共振外,還有一個原因,就是風載荷。

風載荷是指空氣在流動過程中,作用到物體上的作用力。風載荷與風速成平方成正比的關系,當風速增加一倍的時候,風載荷就會相應的增加四倍。

當出現11級大風、經過狹管效應放大、又由於高空風廊線的進一步增強,這個時候11級的風,已經遠遠高於11級了。

當建築物產生共振,內部結構不穩定的時候,風載荷再來一個4倍的暴擊,窗戶就如同「紙糊」的一樣,一吹就破。

而當窗戶被吹破後,根據白努利原理,當流體在快速運動的時候,其內部的壓力就會下降。這個時候就與室內形成了壓力差。室內壓力大、而室外壓力小。

當窗戶被吹倒的一瞬間,房間內部會形成一個渦流,形成強大的吸力,把人吸到外面。這個過程就像高速行駛的高鐵,會內建吸力一樣。這也是為何不讓站在高鐵附近的原因。

從上面的分析可以看出,在高層建築面對暴風的時候,經過多次賦能,讓風力越來越大,越來越強,把窗戶輕易就撕裂開來。

所以,在高層建築碰到暴風的時候,最好遠離迎風的那一面,以免窗戶破碎後,產生的吸力,把人吸出室外。如果條件允許,加裝一個隱形防盜窗,也多了一層防護。