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第6章 交通的科学(2)

首先,就是对待地震的问题。地震可以导致行进中的车辆出轨,因此地铁都设计有遇到地震立即停驶的功能。而且为了防止地铁地道坍塌,处于地震地带的地铁结构必须特别坚固。

其次,是对待水灾的问题。由于地铁内的系统低于地平线,而导致地上的雨水容易灌入地铁内的设施。因此地铁在设计时不得不规划充分的防水排水设施,即使如此也可能发生地铁站淹水事件。为此在发生特别大的雨水时,地铁车站入口的防潮板和线路上的防水闸门都要关闭。

第三,就是对付火灾了。在以前,人们不太重视地铁站内的防火设施,车站内一旦发生火灾,瞬间就会充满烟雾,而引发严重的灾祸。1987年,英国伦敦地铁曾经发生过一次火灾,直接导致30余人死亡。产生火灾的原因之一是因为伦敦地铁内采用了大量木质建材。

神奇的磁悬浮列车

与众不同的磁悬浮列车

从轮子发明的那一天起,所有的车辆都采用车轮与地面或钢轨的摩擦使车辆向前运动,当摩擦力足以毁坏车轮或钢轨时,列车的速度就达到了极限。如果想要获得更高的速度,就得尝试通过克服车轮与钢轨之间的摩擦力来提高车速。磁悬浮列车正是克服了这种摩擦力才达到了常规列车无法达到的速度。

超导新技术

很多同学比较好奇的就是,磁悬浮列车真的能够悬起来吗?其实,磁悬浮列车能飞驰在轨道面上,主要归功于超导新技术。1911年,荷兰物理学家昂内斯将水银冷却到零下40摄氏度,使它凝固为一条线,并对它通以电流。当温度降至零下268.9摄氏度时,昂内斯发现水银中的电阻突然消失了。后来,人们把这种电阻突然消失的现象叫做超导现象。在温度和磁场都小于一定数值的条件下,导电材料的电阻和体内磁感应强度都突然变为零,这种特殊的导电状态就称为超导态,在很低的温度下呈现超导态的导体就是超导体。

1933年,迈斯纳和奥森费耳德通过进一步的研究发现,金属处在超导态时其内部磁感应强度为零,即能把原来在其体内的磁场排挤出去,也就是说,在超导体内,根本不会发现任何磁场。即使原来导体中有磁场存在,一旦变为超导体以后,磁场就统统被排斥在磁场之外。正是由于超导体的抗磁性,会对磁铁产生一个向上的排斥力,这种排斥力使列车行驶时不与铁轨直接接触。人们开始研制的磁悬浮列车就是利用磁极同性相斥的原理,将超导磁体安装在列车底部,再在轨道上铺设连续的良导体薄板。电流从超导体中流过时,产生磁场,形成一种向下的推力,当推力与车辆重力平衡时,车辆就可悬浮在轨道上方一定的高度了。

磁悬浮列车与目前的高速列车相比,具有许多无可比拟的优点。它可靠性能好,维修简便,最主要的是它的能源消耗极低,不排放废气,无污染。磁悬浮列车集计算机、微电子感应、自动控制等高新技术于一体,是目前人类最理想的绿色交通工具。

磁悬浮列车的前景

众多的交通运输方式群雄并起。四通八达的航空线、密如蛛网的高速公路线迫使一度独领风骚的铁路运输业步入“夕阳产业”行列,而高速铁路的出现和迅猛发展,为它注入了新的生机。

1964年10月1日,乳白色的“弹丸”号列车飞梭般穿越在东京至大阪的新干线上,道道流光与白雪皑皑的富士山交相辉映。它以210千米的时速、流线型的力学美、高架桥的雄姿、辅之以现代化的设施,令世人刮目相看。根据世界标准,时速200千米以上便可称为高速铁路。此后,法国、英国、德国、瑞典等国家相继建成高速铁路,时速不断攀升。而我国也积极试验,京沪高速铁路已建成并使用。

比之航空和高速公路,高速铁路具有耗能低、占地少、运输量大、安全性能高的优势。目前磁悬浮列车是高速列车的宠儿,被称为新世纪的“神行太保”。

最普遍的交通工具——汽车

汽车的发明

在现代社会,汽车已经成为了一种普遍的交通工具,越来越多的家庭都开始购买汽车,同学们对其也一定不陌生。汽车的发明,在一定程度上缩短了人类时空的距离,对人类的生产生活都产生了巨大的影响。

在距今5000年左右,人类便由于开始驯养动物积累了一定的经验,在使用陶轮制作陶器的过程中逐渐熟悉了转轮运动的原理后,人们发明了车。但车在最初发明之时,车的动力皆为畜力,如马、驴、牛等。但这种畜力车都有一个共同的特点也是难以克服的弱点,那就是行进速度与持久性有限。

直到18世纪蒸汽机特别是19世纪内燃机发明后,由机械作动力的汽车终于诞生了。就像人类的许多发明成果一样,要想准确的指出谁是汽车的具体发明者非常困难,它是法国、英国、德国、奥地利、美国等国家一批科学家经不断探索和实验后的共同结晶。

1885年德国人卡尔·本茨制成世界上第一辆内燃机汽车,这是汽车发展史上的一件具有划时代意义的大事。

现代汽车驶向明天

在经历了第一次世界大战后,汽车获得了迅猛发展,并开始向现代化迈进。以速度更快,乘坐更舒适为目的,并且外形也日益美观大方。这期间先后出现了越野汽车、旅游车、载重汽车等适合不同需要的新成员,从多方面满足人们工作和生活的需要。

20世纪60年代以来,随着计算机、激光等高新技术的广泛应用,更给汽车工业的发展带来了巨大的生机,推动汽车工业从生产方式到设计结构等多方面产生变革。汽车从内到外也发生了显著的变化,高速度、省燃料、高自动化的汽车纷纷涌现,座椅的改进及立体声音响、空调器等设备的普遍采用,使汽车的性能趋于完善。此外,太阳能汽车、氢气汽车、无人驾驶智能汽车等新型汽车也相继问世并获得较大发展。

为何用红光表示危险的讯号

红光的意义

如果同学们细心观察的话就会发现,汽车遇到红灯就要停下来,在修马路的地方,晚上都点上红灯,以便引起人们的注意,其他如戏院的安全门上、高塔上也都用红灯作讯号……

为什么要点红灯来表示危险的讯号呢?是不是仅仅为了红光鲜明触目的缘故呢,还是有别的什么原因呢?下边,让我们一起来看一下。

光学道理

原来,在这里面有很重要的光学道理存在。

大家知道白光里面包含着红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光,它们在传播的时候,每一种色光的波长都是不一样的,其中红光的波长最长,能穿过细小的微粒,像雨点、灰尘、雾珠;紫光最短,穿透本领比较小。当白光照到细小的微粒上时,就要发生散射的现象,不同波长的光,散射情况也不相同。波长较短的光,像紫光、蓝光等,都很容易被散射掉,不能透过微粒;而波长较长的红光不容易散射,而且能透过这些透明的微粒,所以一般人们便能通过朝霞看到红色的阳光。

同学们如果有兴趣的话,可以观察一下。在有迷雾的天气,看到的太阳也是红红的,隔了毛玻璃看灯光也变成了红色,其实就是源于这个光学道理。因此,红光被广泛地用为表示危险的讯号。

这样,在有迷雾的天气里,车辆开着红灯或黄灯,便能使人容易看见它在行驶,不致发生交通事故;在修马路的时候,人们也能通过红色的信号灯及时的发现路况而避免危险的发生。

汽车为何多用后轮驱动

有力的后轮驱动

假若同学们对汽车很感兴趣,并且已经仔细观察过的话,恐怕会提出这样一个问题:“汽车发动机既然装在前面,为什么不直接带动前轮,而要通过一根长长的传动轴去带动后轮呢?”

确实,要是发动机直接驱动前轮,那不仅可以省去那根长长的传动轴,而且还可以使汽车的重心降低,行驶时更加平稳。但如果这样做,同样一辆汽车,它的最大牵引力就不及后轮来驱动的大,而且爬坡的能力也较小。

因为汽车的最大牵引力,取决于驱动车轮与地面的附着力的大小,附着力大,最大牵引力也大;而地面附着力却又与驱动车轮上的载重量成正比。

究竟用哪一对车轮来作驱动轮,就只要看看哪对车轮的载重量大就行。通常,压在汽车前轮的重量约占总载重量的四分之一,后轮在某些情况下甚至要负荷四分之三的载重量。所以,常见的汽车、卡车,大都是驱动后轮,也就是用后轮推动前轮的。

前轮驱动的弊端

也许有的同学会问:“在设计时,为什么不让前轮的载重量大于后轮呢?”

这样做当然可以。但是那样设计的车子,在行驶的速度加快时,车上的物体由于惯性,一时还来不及跟上车子的速度,这样车子运动得较快,物体运动较慢,物体相对于车子来说,是向后移动了,因此前轮的载重量自动地移向后轮。

在爬坡时,车身倾斜,物体由于重力的作用,要向车身后部移动,这也使得前轮的载重量移向后轮。

再说,乘客或货物所加的重量往往也更接近后轮。假若用前轮驱动,同时又要转向,这样汽车的行路机构会变得更加复杂,不便于驾驶。

为何火车比汽车更不容易刹车

不好刹车的火车

我们都知道,火车比汽车的刹车距离更远,这是为什么呢?原来是质量大的缘故。物理学知识告诉我们,质量越大的物体,要使它停下来所费的力也越大。因为物体动量的大小,等于物体的质量和它运动的速度的乘积。

车辆的刹车,其实就是用一种力量克服车辆的动量,使车辆停止运动。

再者,就是火车和汽车比起来,不但质量大,而且跑的速度也快。

要知道,蒸汽机车单是火车头的重量就足足有200多吨重,它还要牵引几十节车厢。

一般的蒸汽机车,最多能牵引3500多吨货物,每小时还能跑四五十公里路!

火车这么重,跑得那么快,要使它在快速行驶过程中,一下子停下来,自然是一件难事。显然只有加大刹车对车辆的摩擦力,或者让车辆的速度逐渐减慢,延长刹车的距离才行。

困难的刹车

火车的刹车要比汽车复杂得多,要刹住一列火车,必须对所有的轮子都增大摩擦力。

火车的刹车装置,是在每一个轮子上装一副用压缩空气掣动的闸。司机只要一按机车上的压缩空气气门,压缩空气就从皮管子通到所有轮子的闸上,把轮子紧紧刹住。

尽管火车有这样的刹车设备,由于它的动量实在太大,刹车对轮子增加的摩擦力还是有限的。因此,火车在司机开动刹车闸门后,仍旧会继续向前滑行很长一段距离以后,才能完全停住。

一般以煤为燃料的蒸汽列车,在紧急刹车以后,还要滑行很长一段距离才能停下来。

火车为何必须在钢轨上行驶

滚动阻力的原因

同学们都知道火车是在两条平滑笔直的钢轨上行驶的,那么,为什么火车不能像汽车一样在道路上行驶呢?

我们在平滑的柏油马路上骑自行车的时候,都会感到很轻快,然而一到凹凸不平的碎石路上,就感到费劲,这是为什么?

当自行车轮胎里的气打得足的时候,骑起来感到轻快,轮胎的气不足,骑起来就费劲,这又是为什么?

原来,这都是滚动阻力的问题。平滑的柏油马路和打足气的自行车轮胎,滚动阻力小,所以人骑在自行车上就感到轻快。因此,降低滚动阻力,是提高运输效率的一个主要关键。

同学们也许不知道的是,最早的火车,是用马拉的木轮车在木材做的轨条上行驶的,滚动阻力还是很大。后来,逐渐改进。直到100多年前,蒸汽机车发明后,车轮和轨条都改用钢铁制造的,才大大地降低了滚动阻力。

避免路面下陷

实验证明,一辆载重汽车,如果停在碎石面公路上,需要15个人才能推动它前进;而同样重量的一辆火车停在钢轨上,只要2个人就能推着它前进了。两者的滚动阻力相差7.5倍。这样,无论从节约燃料或者提高运行效率来说,两者的差别是很明显的。这就是火车为什么要在钢轨上行驶的主要原因之一。另外,由于火车的车身很笨重,如果火车轮子直接在石子路或水泥路上行驶,路面就会产生下陷的现象。用了钢轨和枕木等,就可以避免这种情况。

确定行驶方向

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