书城科普你一定想知道:发明探索知识
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第23章 交通科技应用(3)

由于海上贸易及交通的发展帆船一再改良。8~11世纪,欧洲国家制造了一种帆桨型的贸易舰,性能很好,得到了广泛使用。15世纪时,欧洲各国积极拓展贸易,海上交通日趋活跃,因此帆船的研制偏重性能及实用性的提升。这段时期,西班牙制造出设有三只帆桅的帆船,成为后来远洋船的雏型。帆船在功能设计上已有了明显的进步而最特殊的设计便是“中国帆船”。在当时中国帆船已用帆骨及支骨来支撑帆面这种设计让帆船在顶风(逆风)时也有较高速度。

随着工业的发展帆船的设计日趋完善。19世纪时为了使运输货物的时间缩短,美国率先建造了快速帆船,后来这种帆船演变成着名的巴底摩尔快速帆船,这时帆船的发展达到了顶峰。但不久,由于蒸汽机的使用,大量的船舶都装上了机器动力,帆船渐渐失去了在航运中的重要地位。

帆船的分类与基本构成

舰船主要分为龙骨船稳向板船多体船、帆板及古帆船五大类。龙骨船有单桅多桅之分。一般说来,龙骨船排水量大、构造复杂、价格昂贵,需要多人操纵,适合于较长距离海上竞赛和远洋探险。稳向板船的水下稳向部分是可调的。这种船具有小巧、灵活、造价低便于操纵、易于普及等特点。多体船有双体船和三体船。帆板的鲜明特征是操帆者站在一块滑行板上航行,没有舵,只有尾鳍。古帆船是完全采用仿古设计的帆船通常为多桅布局装饰华丽,以进行娱乐性比赛和训练水手海上操作为主。各种帆船的结构基本相似,主要由船体、桅杆、稳向板或龙骨舵、帆和索具组成船体的制作材料为木材或玻璃钢。船上配有掌握航向的罗盘大型帆船为适应长距离远洋竞赛的要求,还配有全球卫星定位系统,无线通信联络系统等。

三桅帆船

15世纪初,土耳其人攻陷了君士坦丁堡,通往东方的通道完全被封闭了。

为了制造更大,更好的船能够漂洋过海去寻找新的财富,西班牙和葡萄牙的造船商把酒船和快帆船合并,建成了有三根桅,能利用65°角以内的风行驶的三桅帆船。三桅帆船的船体结构更加合理,能装载大量生活必需品,可以在海上连续待上数月,甚至可以环绕地球航行。它的出现使得1492年哥伦布发现美洲新大陆成为可能。三桅帆船的出现,彻底改变了西方在造船技术上落后于东方的历史,也使西方渐渐在世界贸易中占据主导地位,随后进行的“地理大发现”和这种帆船的出现及航海新技术的使用密不可分。

现代帆船

在不可再生能源——比如煤,石油等不断减少的情况下,人们开始认识到节约能源,更加合理地利用能源保护能源的重要性。现代帆船就是在这种前提下诞生的。1980年,排水量16000吨的日本油轮“新爱德丸号”下水。它除了用发动机驱动以外,还借助风帆节省燃料。帆在不用的时候可以绕桅杆纵向折起,使用时自动张开。帆由电脑控制的电动机驱动,与风向保持最佳的角度。

轮船

轮船是利用机器动力航行的船,船身一般用钢铁制成。随着社会的进步,各国家之间贸易往来的增加,人们之间的联系日益频繁,但帆船受风向和风速的限制,航行并不便利。于是人们便开始研究利用新型动力、在各种大气里都能行驶的船。轮船的发明,让人们的愿望得以实现。轮船更加适应社会的发展,在政治、经济、军事等方面发挥了重大作用。

蒸汽轮船的发明

18世纪,蒸汽机的发明为船舶动力的发展开辟了广阔的前景。而蒸汽轮船的发明则归功于美国人富尔顿。富尔顿在1797年提出了制造蒸汽动力轮船的设想。1803年,他制造出自己设计的第一艘以蒸汽机为动力的轮船,并在船上安装了明轮,这艘船在法国塞纳河上试航成功。1805年富尔顿得到了蒸汽机发明家瓦特的支持,购买了瓦特新设计的功率更大的蒸汽机将它带回美国。

1807年,富尔顿又造了一艘铁壳轮船“克莱蒙特号”,在纽约的哈德逊河下水,首发试航成功,完成了从纽约到奥尔巴尼的航程,连续航行240千米左右。

富尔顿一生建造轮船17艘,是公认的蒸汽轮船的发明人。

螺旋桨轮船的出现

明轮的蒸汽轮船虽然比风帆推动的船先进许多但它也有缺点。

明轮船的明轮不仅增加了船的宽度和航行时的阻力,而且在码头上停靠时,与两旁的轮船很容易发生碰撞。

另外,如果水草一类的缠绕物绞住明轮的叶片或轴,明轮就不能转动。这些缺点促使人们寻找一种更佳的动力装置。

1837年,英国的佩蒂特·史密斯爵士首次试验用螺旋桨推进的汽艇。他研制的推进器是木制的,它确实加快了轮船的速度。后来史密斯建造了“阿基米德号”,于1838年在米尔沃尔下水。到19世纪60年代,用螺旋桨作推进器的轮船已经完全将装明轮的蒸汽船淘汰掉。但人们却一直保留着“轮船”这个名字。

原子能船的优势

核能发明后,人们很快把它应用于一船舶的推进上。这样,就出现了新型的原子能船。原子能船和一般的轮船在外表上差别并不大,它用小型原子反应堆把水加热成蒸汽来驱动涡轮机,实际上属于汽轮机轮船的一种。它最突出的优点是需要的燃料量很少,可以连续航行两三年。另外,由于可以采用大功率的汽轮机或燃气轮机作为主发动机,因而速度可以增加得很快。

海上旅馆——豪华邮轮

一艘现代化的豪华邮轮就像一个海上旅馆,乘坐它,乘客们能尽情享受旅行的乐趣。邮轮上不仅配备了舒适的生活设施而且设有游泳池、歌舞厅、电影院、布置豪华的餐厅、富丽堂皇的休息室,甚至还有小型的体育场馆等让旅客有一个轻松愉快的旅程。在邮轮上,配有先进的管理和控制系统,能及时接受导航,获取有关气象、航道等多方面的信息,避免触礁或撞上冰山。在水下,一排密封舱壁横穿船底,把它分成互相隔离的一间间小室,这样即使船身受损,船也能浮动,不会下沉。豪华邮轮上的设施均采用防火材料制造,具有良好的防火性能。同时,船上配备了各种现代的报警装置,消防设施,安全通道以及各种求生设备。因此,豪华邮轮的安全性是很高的。

形形色色的水上作业船

在江河湖海中,有一类特殊的船它们不承担运输任务,而是专门进行一些特殊的水上作业,因此被称为水上作业船。水上作业船的种类很多,如消防船、挖泥船、打桩船、起重船等等,它们个个都有特殊的本领。起重船的吊臂很长,能四面旋转,一次能吊起几百吨货物。打桩船装有力大无比的汽锤,一锤下去,能把又粗又长的钢管压进水底十几米。挖泥船有个大抓斗,能把水下航道中的淤泥挖上来,保持航道畅通。

破冰船的船头又重又硬,可以在布满厚冰的水面上开出一条航路。消防船上装有高压水枪,遇到海上的船只或者设备起火了,它能迅速扑灭几十米远的火焰。

救生艇的船身虽然不大却能快速及时地救助身处险境的人。这些特殊的船只担负着使水面航运正常的重要责任。

气垫船

气垫船是利用高压空气的支承力悬浮在水而上航行的船。气垫船还可以在某些陆上地形行驶。它的优点是吃水小,几乎没有水的阻力,不受海浪颠簸的影响,所以速度快,稳定性好。气垫厚度大的大型气垫船,还可越过海洋的波涛。气垫船是现代优秀的水上运输工具之一,它的发明被认为是自轮子发明以来的重大突破,改变了人类的水上运输体系。

气垫船的发明

气垫船是1952年由英国工程师科克莱尔发明的。大学毕业后科克莱尔与妻子独立开办了一家小型造船公司。

为了提高船的航行速度,他想制造一种能把空气放在水与船之间,使摩擦力减小的船。科克莱尔利用家中的吹风机通过一根管子向两个咖啡罐头盒喷射气流,实验证明,这种方法可以在罐头形成气垫,产生举升力的效果和科克莱尔预想的样。英国研究开发公司总经理哈尔斯倍利独具慧眼,预见到气垫船的重要性,便帮助科克莱尔获得了专利权。1959年,科克莱尔研制成功一艘长9.1米,宽7.3米的气垫船。这艘气垫船顺利地穿过了英吉利海峡,成为世界上第一艘实际航行的气垫船。

气垫船的工作原理

气垫船的基本原理就是利用鼓风机将空气增压达1.3~1.5个大气压,并将空气排到船底与水面之间,高压空气便在船底和水面之间形成气垫,并通过空气螺旋桨或喷气方法推动船前进,在气垫船的船底四周设有环形喷口,气流从喷口向外倾斜地高速喷出,由于水面的阻挡,气流在船底积聚形成气垫,并产生一股很强很大的升力,把船托离水面。由于物体同空气的摩擦要比物体同水的摩擦小得多,所以气垫船向前运动时只受空气阻力,这使它能在水面上高速滑行。

热气球

热气球是依靠向球体内充入热空气,产生浮力而升空的飞行器。热气球。刚出现时,就得到了社会各界的广泛关注。随着人们生活方式的巨大变化,它已经成为现代人求新、求变、追求惊险刺激的重要工具。现在,热气球不但成为一项热门的体育项目,还在休闲娱乐、高空拍摄、体验飞行、广告宣传等领域有着重要作用。

热气球的发明

18世纪初,法国造纸商蒙格尔非兄弟受碎纸屑在火炉中燃烧,不断升起的启发,用纸袋聚集热气做实验,而纸袋真的随着气流飘然上升。1783年,蒙格尔非兄弟制造的热气球进行了世界上第一次载人空中航行。热气球在巴黎上空飞行25分钟后安全着陆,实现了人类首次飞上蓝天的壮举。二战以后,随着经济的发展,高新技术的应用、化学纤维的研发和丙烷气体的普及,热气球获得了迅速发展。由于热气球操作简单安全可靠很快便成为风靡全球的时尚运动。

热气球的构造

热气球由球囊、燃烧器、吊篮三大部分构成。球囊通常是由色彩艳丽、耐高温(150℃),高强度的尼龙或涤纶布缝制而成。标准热气球的形状为水滴形也可做成各式各样的异型球。燃烧器是把气瓶内的液态丙烷(或液化石油气)气化后与空气混合形成可燃气体充分燃烧后,将高热气流喷射进球囊,使其内部空气迅速加热升温,以产生升力。

吊篮一般由藤条编制而成,以减缓热气球着陆时与地面的撞击,主要用于装载飞行员乘员燃料瓶及必要设备。

热气球的飞行原理

热气球主要是根据热空气轻于冷空气而产生上升力的原理来飞行。通过控制燃烧器点火、熄火的间隔时间长短,可以调整球囊内温度,并且控制热气球的上升和下降,利用不同高度层的风向,可以控制和调整热气球的前进方向。热气球的飞行速度与风速相同。

高速公路

地铁系统是永远都不会发生塞车现象的交通系统。在公路交通系统中,可以像地铁一样不出现塞车现象的就算高速公路了。当然,发生重大交通事故或出现极端恶劣天气时,高速公路也会出现拥堵。

什么是高速公路

高速公路是供汽车高速、安全、顺畅运行的现代化公路。世界各国的高速公路尚没有统一的标准,命名也不尽相同,但都专指有四车道以上、中央设置分隔带、双向分隔行驶、完全控制出入口、全部采用立体交叉的公路。高速公路对于分散过分集中的城市人口,解决劳动就业,发展工农业生产和旅游业以及开拓边疆和国防战备都有很大作用。

各国高速公路里程一般只占公路总里程的1%至2%,但所担负的运输量却占公路总运输量的20%至25%。高速公路造价高,用地多,但行车速度高,通行能力大,交通事故率小,其投资费用一般只要7至10年即可得到回偿。

醉倒的高速公路

德国是世界上最早修建高速公路的国家。1932年,德国试建了科隆至波恩的高速公路,设4个车道。此后,德国开始大规模规划、设计、建设高速公路。

如德国曾设高速公路车速为100至120千米/小时,无高速限制,最低车速限制为60千米/小时。截至1939年第二次世界大战开始,德国共建高速公路3440千米,形成了以柏林为中心、向四周辐射的高速公路网。第二次世界大战后前联邦德国继续整修扩建高速公路,至1970年,其高速公路总里程达到4460千米,1985年又增至8000余千米基本建成全国高速公路网。

高速公路的最高速度

高速公路行车与普通道路行车相比,速度有大幅度提高。但是,世界上绝大部分的高速公路还是设有限速,超过限速者会被处罚。严重超过限速称为“飙车”,将会受到更严厉的处罚,甚至会被吊销驾驶执照。世界上一些国家(地区)的限速:我国内地120千米/小时;香港110千米/小时;台湾110千米/小时;德国部分道路无限速,其他部分120至130千米/小时;法国130千米/小时;意大利150千米/小时;瑞士120千米/小时。

立交桥与高架路

繁华的都市,高楼林立,桥梁遍地。每当华灯初上,整个城市灯火通明。这时,纵横交错的立交桥和高架路显得尤为壮观。

何为立交桥

所谓立交桥,是为保证交通互不干扰而在道路,铁路交叉处建造的桥梁广泛应用于高速公路和城市道路中的交通繁忙地段。按跨越形式分为:跨线桥,在既有线路之上跨越,跨线桥又分为分离式和互通式;地道桥,从地下穿越既有线路。

最早的立交桥

八字桥在浙江绍兴,是现存绍兴石桥中最古老的一座梁式石桥,也被称为“世界上最早的立交桥”,有南宋宝祜四提题记。桥面布置很有特色,桥东端紧沿河道有南北两个方向落坡,桥西端又从西南两个方面落坡,西端南面的坡道下还建有一小孔,跨越小河。虽经历、了700多个严冬寒暑,多次重修,八字桥仍然保持着当年古朴的面貌。八字桥这样的结构能够解决比较复杂的交通问题,因此在中国桥梁史上具有重要地位,是研究我国桥梁史的重要实物例证。

立交桥为何有接缝

一般的物体都有热胀冷缩的性质立交桥也不例外。炎热的夏天,在强烈的阳光照射下,立交桥受热膨胀,桥面会变长;在寒冷的冬天,立交桥收缩桥面会变短。如果立交桥修成一个整体,不留接缝,由于热胀冷缩的作用立交桥就会出现许多裂缝,进而严重毁坏。留有接缝,立交桥在膨胀和收缩时,接缝可以变窄或变宽,立交桥就不再受到挤压和拉伸了,这样可以延长寿命。另外,当重型车辆压在某一处桥面时,这部分的桥面长度就会发生变化接缝的宽窄也就跟着变化,立交桥的其他部分就不会受到影响了。

高高在上的高架路

高架路是用一系列柱子架起来的空中道路,一般建在路面较宽的道路上方。高架路的交叉路口少,禁止行人通行,车辆行驶能保持较高的速度。高架路两侧设置有防撞栏杆,可以阻止汽车“越轨”。和地铁相比,高架路的造价低,维护费用低、施工工程简单。高架路与立交桥的主要区别在于立交桥还包括地道桥(地下),而高架路只在地上修建。