书城科普读物走向未来的现代工业(新编科技大博览·A卷)
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第25章 交通运输(2)

1825年9月27日,英国希尔顿车站盛况空前,世界上第一条标准轨铁路的通车典礼在此举行。盛大的检阅式由5列火车组成,第一列是由大名鼎鼎的蒸汽机车之父斯蒂芬森亲自驾驶的“旅行号”机车,它由煤水车、32辆货车和1列客车组成;其余4列火车均由1匹马拉6辆货车组成。在第一列火车上,载有乘客450人以及10节货车的煤和面粉,全车总重90吨。火车最高时速为20~24千米。

这段从斯托克顿到达林顿的铁路,全长约32千米,线路设备和今天的铁路几乎没有相似之处,但是它的轨距却是1435毫米,所以被认为是世界上第一条标准轨铁路。由于火车的试行成功,人们把1825年作为世界铁路的诞生年,把从斯托克顿至达林顿的铁路作为世界上正式运营的第一条铁路。

高速列车

按列车运行速度分类,100千米/时~160千米/时为常速行车;160千米/时~250千米/时日本的高速列车即为高速行车。由于车速高,所以发车密度大,旅客流量也大,可有效地疏散城区人口,方便人们远距离交往。在世界各国的铁路线上已经有了万吨火车,也有了万匹马力的电力机车,列车速度超过了每小时200千米,但无法超过每小时300千米。因为列车重量只受铁路技术装备的限制,只要不断地改进技术装备,列车运载量即可不断提高。速度则与列车阻力有关,这种阻力主要是空气阻力和摩擦带来的阻力。但是,如果速度超过了每小时200千米,在滚动运行条件下,由于车轮与钢轨之间进行着猛烈冲击,列车就会产生剧烈的振动和噪音。超过每小时300千米时,钢轨及车轮将无法承受。

人们考虑通过设计出大大减小空气阻力的车体的办法和减小运行部件摩擦的办法来提高车速,目前已有实质性的突破。一方面为了减少空气阻力正在研制新流线型的超高速列车。另一方面,人们努力减轻列车的自重,同时制造更大功率的机车。同时,车厢将均采取密封式,以防止噪音侵入。

管道电动机列车

速度始终是列车设计人员所追求的目标。为了设计更快的列车,科技人员可以说是费尽了心思。

有人曾考虑过采用螺旋桨或喷气式发动机推进的气垫式列车等方法来提高车速,但大多数科技人员对此并不看好。于是便有人主张使用电动机列车,这一想法得到了很多人的支持。

目前已基本确定,采用在管道内运行的线性电动机列车为较好的方案。

普通电动机里的线圈排成圆形,在其内侧有钢板或铝板制成的圆筒形转子旋转;线性电动机可以看作是把普通圆筒形电动机展开平面的形式。线性电动机列车的底部加了铝板,行驶时,在像枕木一样排列的线圈上滑行。

同时,线性电动机列车采用了利用磁性的反作用力使之腾起的办法。

这种列车只要在轨道的线圈上通过电流即可,列车上既不需要发动机,也不需要操纵装置,就像一个活动的箱子,类似缆索滑行车和喷气滑行车。

对于列车上的乘务员来说,他们太省事了,只需监视列车的正常运行就可以了,只有在非常时刻才需进行必要的操作。

列车的运行操作都集中在管道系统的控制室内进行,控制室内值班的调度员分别操纵着管道内运行的列车。

列车操纵器分为十档,根据线路的坡度操作。各辆列车的运行状态,在中心控制室内可以看得一目了然。

控制室的墙上挂着一个大圆盘,上面画着整个管道的线路,全部列车的位置和各列车的编号都用亮着的电灯表示,乘务员和中心控制室都用无线电话直接联系。

为了确保列车高速行驶的安全和节省有限的土地资源,线性电动机式列车都在地下管道内行驶,这样即使遇到恶劣的天气也不受影响。

现在,科学家们又在设想,假如让磁悬浮列车在真空的管道中运行,就可以克服空气的阻力。如果是这样,列车时速还可以成倍提高,简直令人难以置信!

凭借人类的智慧、发达的科技,新一代的列车一定会越来越先进。

智能汽车

智能汽车是一种自动导航的无人驾驶新型汽车,已在美国佛罗里达州投入运行。车内安装有导航显示屏,可以在驾驶员键入的地地名后显示出行车路线;当遇到交通阻塞的情况时,导航系统将引领驾驶员绕道而行,并且可以随机应变,依据不同道路状况和速度变化状况自动启动、加速或刹车制动。智能汽车由一部道路图像识别装置,一部小型电子计算机和一工程技术人员借助计算机模拟和图像研究汽车连贯运动套用电信号控制的自动操纵系统组成。道路图像识别装置用来识别复杂的路况。智能汽车的前方装两个电视摄影机,不断扫描行车前方的道路空间,把前方的影像转换成视频信号。识别装置能看清前方5米至20米的空间,并把高度在10厘米以上的物体作为障碍物来处理。然后,电子计算机从道路图像识别装置接收来的信息中,求出操舵角、速度、加速或减速的控制量。然后和预先输入到电子计算机存贮器中的参数相比较,迅速地得到有关操纵汽车运行的参数。随后,自动操纵系统发出指令信号,控制和操纵汽车的转向器、节流阀、制动器等按指令动作。智能汽车可以根据事先的安排,遵循指定的跑线把乘客送往预定的目的地。在行车时,可以转弯,也可以超越前面的车辆。在发生异常情况下,可以采取相应的紧急刹车。

磁悬浮列车

磁悬浮列车,形状很是怪异,它没有引擎,没有轮子,也不是站立在传统的钢轨上。它没有隆隆声和尖锐的刹车声,高速前进时只能听到穿过空气时轻微的嘶嘶声。它像一架超低空飞机贴近地面飞行一样,除了空气摩擦外,没有任何其他阻力,因此可达到陆地交通工从1998年起,磁悬浮列车在日本山梨县试车线上运行具前所未有的500千米以上的时速。

磁悬浮高速列车是人类未来交通的希望所在,它的推进、导向系统都与众不同。

其原理十分简单。取两块直径相同的圆环形小磁铁和一根内径与磁铁外径相近的玻璃管,把一块磁铁N极朝上,放入玻璃管内,然后在玻璃管上端把另一块磁铁N极向下放入,这时,奇怪的现象发生了,上面的小磁铁落到一定高度后,腾空地悬浮在玻璃管内,仿佛有东西把它托住似的。磁铁的磁性越强,悬浮得越高,这种现象就称为磁悬浮。说白了就是“同性相斥,异性相吸”。

用磁场把列车悬浮起来,实现无轮高速运行,还要涉及到超导的问题。

1911年,荷兰的物理学家卡麦林·翁尼斯首先发现了水银在-269℃时,电阻突然减小为零。像这样没有电阻的物质在物理学上被称为“超导体”。超导体有一个非常引人注目的特性,在每平方厘米截面上,能承受几十万安培的电流,同时产生极高的磁场,称为超导磁场。

磁悬浮铁路,按磁悬浮车辆电磁铁的类型可以分为超导排斥型和常导吸引型两大类。

超导排斥型是在列车底部安装有超导磁体,在地面上的轨道两侧埋设一系列铝环线圈。当列车运行时,给列车上超导磁体线圈通电,产生强磁场,这时,在铝环内会产生感应电流。感应电流产生的磁场与车上超导磁体的磁场方向相反,两个磁体产生排斥力。当排斥力大于列车重量时,列车就会悬浮起来。

常导吸引型采用常导磁铁,常导磁铁通电后产生磁场,利用磁性异性相吸性使列车悬浮起来。

磁悬浮列车的推进系统与众不同。我们知道,当列车悬浮与钢轨脱离时,便不能依靠它们之间的摩擦力产生牵引力,而是用作直线运动电机的电磁力作为推动力。这种电机称为“直线电机”。直线电机推动列车前进。

磁悬浮列车的导向系统也大有文章。普通列车的导向是靠车轮上的轮缘实现的,而磁悬浮列车是利用和推进系统原理相同的电磁力进行导向的。在轨道中央突起部分的两侧设置导向线圈,当列车行驶偏向左右任何一边时,地上线圈流过循环电流,电流与列车推进和导向的磁体之间产生电磁力,迫使车辆回到轨道中央。

磁悬浮列车一旦投入使用,北京和上海之间就可以实现当天来回了。

地铁

乘坐过地铁的朋友都知道,地下铁道具有运量大、不阻塞、噪音小、无污染、安全舒适、节约能源等许多优点,在城市交通中占有重要的地位。

北京地铁建国门站。北京的发展轻轨计划正在落实目前,几百条地下铁路舒展在世界上百个城市的地底下,成了当之无愧的“地下大动脉”。那么,地铁为什么会有“地下大动脉”之称呢?我们从世界各国不同风格的地铁中可以找到答案。

以气势恢宏著称于世的莫斯科地铁为例,到80年代中期,它已发展到长达200多千米,有132个车站,共拥有8条辐射线和一条环形线。

莫斯科地铁自1935年投入运营以来,累计运载乘客已超过500亿人次,目前年客运量达25亿人次,担负着莫斯科市近一半的客运量。

莫斯科地铁的客运量雄居世界榜首,每天平均开行8500次列车,全部采用自动闭塞、自动信号装置和调度集中控制,每列车只需一个工作人员。车辆运行的平均时速48千米。

莫斯科地铁的独特之处,就在于其车站建筑富丽堂皇,宛如一座座宫殿。

若按每千米的日载客量计算,世界上最繁忙地铁要属有“东方巴黎”之称的香港。香港地铁平均每千米的日载客量约5万人次,比伦敦、巴黎、莫斯科地铁的日载客量大得多。毫无疑问,它是世界上最繁忙的地铁。

每天,香港地铁从早晨6时开至第二日凌晨1时,乘客高峰时每隔3分钟就开出一班车。香港地铁的平均时速为33千米,它们来去自如,不受高楼、海峡、车流人潮的影响,给市民交通带来了极大方便。

100多年来,世界各国的城市,特别是纽约、巴黎、伦敦、东京、莫斯科等一些世界性大城市,地铁技术高度发展,形成了城市地下空间,拥有上百个车站和数百甚至上千米线路的庞大而复杂的地铁网。

目前,世界上各国建造了或正在建造着共200多条地铁,线路总长达5000千米。

所以,当4万多辆地下客车往返于3000多个地铁车站之间,同时运送着5000多万人次的旅客的时候,你应该对“地下大动脉”这一称谓毫无疑义了。

人类飞行的摇篮——热气球

随着航空先驱者不断地探索和航空科学的发展,终于在1783年揭开了载人航空史的第一页,人类首先借助浓烟滚滚的热气球冲破了天空的封锁。

热气球的最早雏形要算我国古代的“孔明灯”。五代十国时期,有一位名叫莘七娘的妇女,用竹篾编制了一种方形灯笼,在灯笼下面的托盘上点燃松脂,靠热空气把灯笼托起,一直升到天空,民间称之为“孔明灯”。后来这种“孔明灯”被用作部队打仗时军事联络的暗号。

1873年11月21日法国蒙格尔费兄弟在巴黎进行了人类热气球载人表演,成千上万的巴黎市民观看了这一飞行。这只气球长约24米,直径约15米,下方是用柳条编成的载人吊篮,吊篮正中是一金属火盘,人坐在吊篮中不断向火盘中添加燃料,使生成的热空气不断上升到气第一个载人的热空气气球球的气囊中。据记载,这只热气球在巴黎上空飞行了25分钟,飞行高度约900米,最后降落在9千米外巴黎近郊的一块麦田里。