簡麗賢/在台北101上物理課

在台北101上物理課。圖/裴小馬
在台北101上物理課。圖/裴小馬

七月分科測驗結束,學生傳訊息給我:「老師,物理考的阻尼球。花蓮地震時,台北101僅輕微晃動,是由於92樓到87樓間設有以多條鋼纜懸掛重量660公噸的球形質量塊,並以阻尼器與樓板連接構成減振系統,要我們估算101大樓主結構以基頻振動的周期。」「校外教學參訪101,看過那顆金黃色大球,答題很有感。」

實施新課綱後,為了讓學生感受生活中有物理、物理在生活中,開設高三多元選修課程「言之有物,說之有理--科學寫作與短講」,設計參訪台北101的主題,吸引不少學生選修。

「好期待到101上物理課。不知道能上什麼?」這是學生最常提出來的疑問。「可以上人文、科學和藝術,單是超高速電梯、阻尼球和綠建築,兩節課根本不夠用。」說明後,學生往往瞪大眼睛。

締造一幢特色建築,可以改變一座城市

「我變重又變輕了,體重計的讀數會改變,好神奇喔!」為了印證學過的牛頓力學,學生攜帶體重計搭乘101的超高速電梯,三十七秒上升過程,目睹指針偏轉,見證這部充滿電學與力學的電梯加速與減速,會影響體重計的讀數。

「哇!第一次站在這麼高的地方看台北,原來房子這麼密集。」「腳下的國父紀念館、大巨蛋竟然這麼渺小。我看到觀音山的全貌了!」看到學生喜悅的笑容,聽到充滿驚奇的對話,也點燃我的教學熱情。台北101是全球第一幢高度超過五百公尺的大樓,雖然現在排在十名之後,但站在觀景台俯瞰台北城,自然思及杜甫讚嘆雄偉的泰山:「會當凌絕頂,一覽眾山小。」學生說:「台北的建築竟如此渺小而密集。」

締造一幢特色建築,可以改變一座城市。台北101金融大樓於民國93年十二月正式啟用,地面共101層,高度接近508公尺,由擅長東方文化與現代科技建築的知名建築師李祖原設計,總共八個「斗」,外型如竹,才高八斗,節節上升,繁花綻放,象徵步步高升與花開富貴。

然而,帶學生到台北101絕不能僅透過玻璃帷幕登高望遠、觀賞櫛比鱗次的建築,因為這棟大樓氣韻生動,是台灣當代文明地標和劃時代巨作,更是蘊藏物理知識與建築力學的科學殿堂。

以史為鑑,全球最大的阻尼球應運而生

以台灣超高層大樓的建築而言,強力的颱風與頻繁的地震是最嚴苛的考驗,結構設計必須考量抗風和抗震。101大樓的外觀四個角呈現鋸齒狀與「樹大招風」有關,拔地而起的高樓因應風襲與地搖,建築外觀的設計經過風洞實驗室測試,而窗戶也須考量玻璃材質和風吹襲的壓力強度。

物理學談到物體在不受外力作用時的自然振盪頻率,當物體以自然頻率隨著外來振動源振動時,即是共振現象。發生風襲或地震時,建築物會跟著振動,若台北101大樓遇到颱風或地震,振動頻率恰好和大樓的自然頻率一致,101就會發生劇烈搖晃。

歷史是一面鏡子,墨西哥西海岸曾發生規模8.1的劇震,當時墨西哥市內高樓大廈倒塌的原因之一,即是地震波傳遞能量產生共振效應。

以史為鑑,台灣位於歐亞大陸板塊和菲律賓海洋板塊的交界帶,又在颱風經過路徑中,建築台北101必須考慮天然災害和共振效應,減緩大樓晃動程度,全球最大的阻尼球應運而生。以阻尼球與樓板連接構成減振系統,當風襲或地震使大樓以主結構的基頻振動時,振動能量便能有效地轉移至朝相反方向移動的球形質量塊,使得阻尼器伸縮以吸收大樓的振動能量,減緩大樓的擺動效應。

上完課後,學生有感而發:「常經過台北101,從沒想過這巍峨建築蘊藏這麼多學問。這是一堂不一樣的物理課。」「親眼看到風阻尼球,才知道結構,長知識了。」「跨年看煙火秀,從不知道台北101是全球最高的綠建築,現在略懂略懂。」

處處留心皆學問,以科學之眼凝視台北101,別有一番物理之美。

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