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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.
문제
11개 문제 — TOEFL Reading 문제 유형을 모두 포함, 실제 시험 순서 그대로.
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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.
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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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해석 & 답지
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마천루의 흔들림을 잠재우는 거대한 공
수백 미터가 넘는 건물은 예외 없이 움직인다. 바람은 건물 외벽을 끊임없이 밀어붙이는데, 20세기 대부분의 기간 동안 공학자들은 이 움직임을 없애야 할 결함으로 여겼다. 흔히 쓰인 해법은 건물이 거의 흔들리지 않을 때까지 질량과 강성을 더하는 것이었다. 그런데 일정 높이를 넘어서면 이 방식은 비용도 많이 들 뿐 아니라 스스로 발목을 잡는다. 바람에 버틸 만큼 단단한 골조는 바로 그 저항력 때문에 오히려 갈라질 수 있다. 실제로 통한 해법은 처음엔 거꾸로 가는 것처럼 보인다. 건물을 붙잡아 세우는 대신, 공학자들은 건물 안의 무언가가 자유롭게 흔들리도록 두는 방법을 찾아냈다. 그 흔들림이 건물을 진정시킬지 오히려 더 뒤흔들지는 단 하나의 정확한 조건에 달려 있다.
2004년 대만 타이베이에 완공된 508미터짜리 타워, 타이베이 101이 그 이유를 보여준다. 이 지역은 태풍과 지진을 모두 겪기 때문에 건물 골조가 어느 정도 휘어질 수 있어야 한다. 그만한 높이에서 완전히 단단한 구조물이라면 하중이 기초부에 집중되어 결국 철골이 피로로 손상될 것이다. 그래서 이 타워는 애초부터 흔들리도록 설계됐다. 평상시 바람에는 꼭대기 층이 몇 센티미터, 폭풍이 몰아치면 그보다 훨씬 더 많이 움직인다. 문제는 이 움직임이 스스로 커질 수 있다는 데 있다. 돌풍이 타워의 고유 주기, 즉 타워가 스스로 왔다 갔다 흔들리는 속도에 가깝게 불어오면 매번 같은 방향으로 타워를 더 밀어붙이는데, 공학자들은 이 현상을 공진(resonance)이라고 부른다. 이대로 방치하면 가벼운 흔들림이 점점 커져, 구조물 자체는 안전해도 꼭대기 층 사람들이 멀미를 느낄 만큼 강해질 수 있다.
철골을 더 넣는 것만으로는 이 문제가 거의 해결되지 않는다. 더 무거워진 타워도 여전히 자신만의 고유 주기를 가지며, 여전히 공진에 빠질 수 있기 때문이다. 실제 해법은 거꾸로 가는 것처럼 보인다. 공학자들은 타워가 움직임에 더 강하게 저항하도록 만들려 하지 않는다. 대신 동조질량감쇠기(tuned mass damper), 즉 따로 매달려 스스로 흔들릴 수 있는 두 번째 질량체를 추가한다. 이 감쇠기는 타워의 고유 주기와 흔들리는 박자는 같지만 방향은 반대로 움직이도록 조정되어 있어서, 흔들릴 때마다 그 운동량이 건물의 움직임을 상당 부분 상쇄한다. 조건은 정확해야 한다. 감쇠기가 타워의 주기에서 조금만 벗어나도 효과는 거의 없고, 아예 엉뚱한 주기로 맞춰지면 아무 소용이 없다.
타이베이 101에서 그 두 번째 질량체는 강철 구(球)다. 무게는 약 660톤이고, 87층과 92층 사이에 네 개의 케이블로 매달려 있다. [A] 40장이 넘는 강철판을 겹겹이 쌓아 만든 이 구는 거대한 진자처럼 흔들리며, 여덟 개의 유압 피스톤이 이 구를 주변 구조물과 연결해 흔들릴 때마다 에너지를 흡수한다. [B] 가장 뚜렷한 증거는 2015년 8월 8일, 태풍 소우델로(Soudelor)가 대만을 강타해 도시 곳곳의 창문을 흔들 만큼 강한 바람이 불었을 때 나왔다. [C] 전망대 안의 카메라는 이 구가 원래 자리에서 거의 1미터 가까이 흔들리는 모습을 기록했는데, 이는 타워가 개장한 이래 측정된 가장 큰 움직임이었다. [D] 공학자들은 훗날 이 구의 흔들림이 건물 자체의 움직임과 거의 정확히 반대 위상으로 일어났음을 확인했다. 바로 그 타이밍이, 태풍이 계속되는 동안 타워의 흔들림이 더 커지지 않도록 막아준 요인이었다.
이 발상은 이제 대만 밖의 구조물들도 지켜준다. 동조질량감쇠기, 혹은 그보다 작은 버전들이 상하이에서 뉴욕에 이르기까지 여러 타워에, 그리고 바람에 흔들리기 쉬운 긴 다리들에도 설치되어 있다. 이 장치들은 그냥 갖다 붙인다고 저절로 작동하지 않는다. 각 질량체는 그것이 보호할 구조물에 맞춰 개별적으로 계산되고 조정되어야 하는데, 한 건물의 주기에 맞춘 감쇠기는 다른 건물에서는 아무 쓸모가 없기 때문이다. 타이베이 101에서 공학자들이 얻은 교훈은 더 무겁게 지을수록 안전하다는 것이 아니었다. 움직임을 움직임으로 정확히 맞세우는 편이 더 믿을 만한 방어가 될 수 있다는 것이었다.
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Vocabulary — '하중이 기초부에 집중돼 철골이 손상된다'는 뒷내용이 '반복된 하중으로 서서히 약해진다'는 뜻을 확인해준다.
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Reference — '저절로 작동하지 않는다'의 주체는 장치(감쇠기) 자신이지, 그것이 설치된 건물이나 다리가 아니다.
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Essential Term — 용어가 처음 등장하는 자리의 동격구가 곧 정의다.
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Factual — 지문 문장을 그대로 옮긴 보기다.
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Negative Fact — 구를 교체했다는 서술은 지문 어디에도 없다.
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Sentence Simplification — (B)는 없는 한정어('오직', '정확히 일치')를 넣었고, (C)는 정반대 내용이며, (D)는 '고유 주기'를 잘못 정의했다.
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Inference — '반대 위상 운동 덕분에 흔들림 증가를 막았다'는 서술을 뒤집으면 나오는 결론이다.
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Rhetorical Purpose — 구체적 도시 나열은 앞 문장의 일반화(널리 쓰인다)를 뒷받침하는 예시다.
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Paragraph Relation — 한 건물의 구체 사례를 여러 구조물에 적용되는 일반 원리로 확장한다.
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Insert Text — '거의 1미터'라는 구체적 측정값이 나온 바로 다음 자리에 와야 '그 단 한 번의 측정'이 무엇을 가리키는지 분명해진다.
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Prose Summary — (B) 2~3단락의 메커니즘 / (D) 4단락의 구체 사례 / (E) 5단락의 일반화.