パッセージ
パッセージ全体を読んでください。[A] のような角括弧の文字は、文insertion問題の4つの位置を示します。
The Ball That Steadies a Skyscraper
¶1 Every building taller than a few hundred meters moves. Wind presses against its face continuously, and for most of the twentieth century engineers treated that movement as a flaw to be built out. The usual fix was to add mass and stiffness until a tower barely swayed at all. Past a certain height, that approach is both costly and self-defeating. A frame rigid enough to resist the wind can crack from the very stress it was built to resist. The real fix looks backward at first. Instead of holding a tower still, engineers let something inside it swing freely. Only one exact condition determines whether that swinging calms a building or shakes it further.
¶2 Taipei 101 is a 508-meter tower completed in Taipei, Taiwan, in 2004, and it shows why. The region gets both typhoons and earthquakes, so the building's frame has to flex. A perfectly rigid structure that tall would concentrate stress at its base and eventually fatigue the steel. The tower is therefore designed to sway, a few centimeters at the top in ordinary wind and considerably more in a storm. The trouble is that this motion can build on itself. Wind gusts arriving at close to the tower's natural period, the rate at which it would swing back and forth on its own, push it further in the same direction each time, a process engineers call resonance. Left alone, that buildup can turn a mild sway into something strong enough to make people on the top floors feel ill, even though the structure itself stays safe.
¶3 Adding more steel does little to solve this problem. A heavier tower still has its own natural period and can still be pushed into resonance. The actual fix seems backward. Engineers do not try to make the tower more resistant to motion at all. Instead, they add a tuned mass damper, a second mass suspended separately so that it can swing on its own. The damper is adjusted so its swing matches the tower's natural period but moves opposite to it, and its momentum cancels much of the building's motion at each swing. The condition is exact. A damper tuned even slightly off the tower's period barely helps, and one tuned to the wrong period can do nothing at all.
¶4 Taipei 101's version of that second mass is a steel sphere. It weighs about 660 metric tons and hangs from four cables between the 87th and 92nd floors. [A] Built from more than forty layered steel plates, it swings like a huge pendulum, and eight hydraulic pistons connect it to the surrounding structure to absorb energy as it moves. [B] The clearest demonstration came on August 8, 2015, when Typhoon Soudelor struck Taiwan with winds strong enough to rattle windows across the city. [C] Cameras inside the viewing gallery recorded the sphere swinging nearly a meter from its resting position, the largest movement measured since the tower opened. [D] Engineers later confirmed that the sphere's swing had been almost exactly out of phase with the building's own motion. That timing is precisely what kept the tower's sway from growing larger as the storm continued.
¶5 The same idea now protects structures far from Taiwan. Tuned mass dampers, or smaller versions of the same idea, have been installed in towers from Shanghai to New York and in long bridges prone to wind-driven oscillation. None of them work automatically. Each mass has to be calculated and adjusted for the specific structure it protects, since a damper tuned for one building's period does nothing useful on another. The lesson engineers drew from Taipei 101 was not that heavier construction is safer. It was that motion, matched precisely against motion, can be the more reliable defense.
設問
11問 — TOEFL Readingの全問題タイプを、実際の試験順で収録。
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Highlighted: "Wind gusts arriving at close to the tower's natural period, the rate at which it would swing back and forth on its own, push it further in the same direction each time, a process engineers call resonance."
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That single measurement did more to convince skeptics than any number of engineering diagrams had.
Where would the sentence best fit?
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Very tall buildings sway in the wind, and engineers once assumed that only added mass and stiffness could control that motion, until Taipei 101 showed how a different, precisely tuned solution actually works.
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日本語訳 & 解答
パッセージの日本語訳と、設問ごとの正解・解説です。自分で解いた後の復習用に使ってください。
超高層ビルを安定させる球体
数百メートルを超える高さのビルはすべて揺れる。風はその面を絶えず押しており、20世紀のほとんどの間、技術者たちはこの動きを設計によって取り除くべき欠陥として扱ってきた。よくある対策は、タワーがほとんど揺れなくなるまで質量と剛性を加えることだった。しかしある高さを超えると、その手法は費用がかさむうえに自己矛盾を来す。風に耐えられるほど剛性の高い骨組みは、まさにその耐えるために作られた応力そのものによってひび割れることがある。本当の解決策は、一見すると逆行しているように見える。タワーをじっと静止させる代わりに、技術者たちはその内部にある何かを自由に揺れさせるのである。その揺れがビルを鎮めるのか、それともさらに揺らすのかは、たった1つの正確な条件によって決まる。
台北101は、台湾の台北に2004年に完成した高さ508メートルのタワーであり、その理由を示す好例である。この地域は台風と地震の両方に見舞われるため、ビルの骨組みはたわむ必要がある。この高さの完全に剛性の高い構造物は、基部に応力を集中させ、やがて鋼材を疲労させてしまうだろう。そのためこのタワーは、通常の風では頂上で数センチメートル、嵐のときにはそれよりかなり大きく揺れるように設計されている。問題は、この動きが自らを増幅させかねないことである。タワーの固有周期、すなわちタワーが自力で前後に揺れる速さに近いタイミングで吹く突風は、毎回同じ方向にさらにタワーを押し進める。技術者たちはこの現象を共振と呼ぶ。放っておくと、この蓄積は、構造物自体は安全なままであっても、最上階にいる人々を気分悪くさせるほど強い揺れへと、穏やかな揺れを変えてしまうことがある。
鋼材を追加してもこの問題の解決にはほとんど役立たない。より重いタワーもやはり固有の周期を持ち、なお共振に押し込まれる可能性がある。実際の解決策は、逆説的に見える。技術者たちは、タワーの動きへの抵抗力をまったく高めようとはしない。代わりに、彼らは同調質量ダンパーを追加する。これは別々に吊り下げられ、それ自体が自力で揺れることのできる第2の質量である。このダンパーは、その揺れがタワーの固有周期と一致しながらも、タワーとは逆方向に動くよう調整されている。その運動量は、揺れるたびにビルの動きの大部分を打ち消す。この条件は正確でなければならない。タワーの周期からわずかにずれて調整されたダンパーはほとんど役に立たず、間違った周期に調整されたダンパーはまったく何もできない。
台北101のこの第2の質量に当たるものは、鋼鉄製の球体である。それは重さ約660トンあり、87階と92階の間に4本のケーブルで吊り下げられている。[A] 40枚を超える積層鋼板から作られたこの球体は、巨大な振り子のように揺れ、8基の油圧ピストンが周囲の構造物とそれをつなぎ、動く際にエネルギーを吸収する。[B] 最も明確な実証は2015年8月8日にもたらされた。この日、台風ソウデロールが台湾を襲い、市内各地の窓を揺らすほどの強風が吹いた。[C] 展望回廊内のカメラは、この球体が静止位置から約1メートル揺れる様子を記録した。これはタワーが開業して以来測定された中で最大の動きだった。[D] 技術者たちは後に、この球体の揺れがビル自体の動きとほぼ完全に逆位相であったことを確認した。そのタイミングこそが、嵐が続く間もタワーの揺れが大きくなりすぎるのを防いだ、まさにその要因だった。
同じ考えは今日、台湾からはるかに離れた構造物も守っている。同調質量ダンパー、あるいは同じ考えのより小型の版は、上海からニューヨークに至るタワーや、風による振動を受けやすい長い橋にも設置されてきた。それらのどれも自動で機能するわけではない。それぞれの質量は、それが守る特定の構造物のために計算し調整しなければならない。ある建物の周期に合わせて調整されたダンパーは、別の建物ではまったく役に立たないからである。台北101から技術者たちが得た教訓は、より重い構造ほど安全だということではなかった。それは、動きに正確に一致させた動きこそが、より信頼できる防御になりうるということだった。
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Vocabulary — 応力が基部に集中し鋼材に何が起こるかという文脈から、fatigueは「繰り返しの応力によって徐々に弱まる」という意味である。
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Reference — themは直前で述べられた「同調質量ダンパー」を指す。
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Essential Term — 3段落の「別々に吊り下げられ、逆方向に動くよう調整された第2の質量」という説明がそのまま定義に当たる。
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Factual — 「完全に剛性の高い構造物は基部に応力を集中させ、やがて鋼材を疲労させてしまう」という文をそのまま反映している。
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Negative Fact — 本文は球体が交換されたとは述べておらず、逆位相の揺れがタワーを守ったことを確認したと述べている。
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Sentence Simplification — 固有周期に近いタイミングの突風が毎回同じ方向に押すことで共振が起こるという因果関係を正しく保っているのはAだけである。
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Inference — 逆位相の揺れが揺れの増大を防いだと述べられているため、逆位相でなければ揺れが大きくなっていたと推測できる。
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Rhetorical Purpose — 同調質量ダンパーの考えが台北101にとどまらず世界中に広がっていることを示す例として挙げている。
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Paragraph Relation — 5段落は、台北101で用いられた同調質量ダンパーの原理を、他の建物や橋にも当てはめて一般化している。
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Insert Text — 「その1回の測定結果」とは球体の揺れの測定を指すため、逆位相であったことが確認された文の直後(D)に入るのが自然である。
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Prose Summary — (B)は3段落、(D)は4段落、(E)は5段落の要点である。