书城科普读物你一定想知道,发明探索卷
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第22章 交通科技应用(2)

燃料电池汽车其实也是电动汽车的一种,其电池的能量是通过氢气和氧气的化学反应直接转变而来的。燃料电池的化学反应过程不会产生有害物质,因此燃料电池汽车也是无污染汽车。燃料电池的能量转换效率比内燃机要高2至3倍,从能源利用和环境保护方面讲,燃料电池汽车是一种理想的环保汽车。

与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点,零排放少了机油泄露带来的水污染;提高了发动机燃烧效率;运行平稳、无噪声等。

烧氢气的汽车

氢气汽车是以氢气为主要能量来源的汽车。近年来,国际上以氢气为燃料的燃料电池发动机技术取得了重大突破而燃料电池汽车已成为推动“氢经济”的发动机。

用氢气作燃料的主要优点有:首先是干净卫生,氢气燃烧后的产物是水不会污染环境;其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

智能汽车

智能汽车是一种正在研制的新型高科技自动化汽车。这种汽车不需要人驾驶,人只要舒服地坐在车上就能到达想要去的目的地。有人问,真有这种车吗?我们看看科学家们的设想。

什么是智能汽车

智能汽车是一种正在研制的自动导航的无人驾驶新型汽车。车内安装有导航显示屏,可以在驾驶员键入目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。即智能汽车可以根据事先的安排,遵循指定的路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。在发生异常的情况下,可以采取相应的紧急刹车。

科学家预计,到2015年,第一代智能汽车将具有可以躲避碰撞的功能。

到2020年,第二代声音识别智能汽车将可以在自动化公路上自行行驶。到2025年,第三代智能汽车将可以从人的肌肉神经脉冲,眼部活动和脑电波的变化中识别相关指令。

神奇的智能汽车

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。智能汽车的前方装有两台电视摄影机,不间断地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至20米的空间,并把高度在10厘米以上的物体识别为障碍物来处理。然后,电子计算机从道路图像识别装置接收到的信息中,求出操舵角、速度、加速或减速的控制量再和预先输入到电子计算机存储器中的参数相比较,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来控制和操纵汽车的转向器,节流阀、制动器等,从而实现安全顺利行驶。

报警轮胎

有一种最新的汽车智能轮胎,在汽车正常行驶时,当温度过高或轮胎气压太低时,它会及时向驾驶员发出警报以防止事故发生。智能轮胎一般都是通过在外胎内嵌入特殊的带有计算机芯片的传感器而获得智能的。传感器由车内的收发器控制,收发器利用无线电天线将无线电信号发射至传感器芯片上,传感器芯片再将承载着温度和压力数据的电子信号发射至车内的收发器收发器接收到该信号后便可取得温度和压力等数据,若出现异常情况则会及时报警。

更为先进的智能轮胎还能感知光滑的冰面,使轮胎自动变软,增大轮胎与路面的附着力;在探测出路面潮湿后,甚至还能自动改变轮胎的花纹,以防打滑。

会思考的安全气囊

汽车智能安全气囊是在普通安全气囊的基础上增加某些传感器,并改进安全气囊电子控制单元的程序实现的。增加的乘员质量传感器,能感知座位上的乘员是大人还是儿童;红外线传感器能探测出座椅上是人还是物体;超声波传感器能探明乘员的存在和位置等。安全气囊电子控制单元则能根据乘员的身高,体重,所处的位置、是否系安全带以及汽车碰撞速度及碰撞程度等,及时调整气囊的膨胀时机膨胀方向、膨胀速度及膨胀程度,以便给乘员提供最及时、有效的保护。

智能钥匙

现在一些汽车厂商开发了一种智能车钥匙它能发射出红外线信号,既可打开一个或两个车门,行李箱和燃油加注孔盖也可以操纵汽车车窗和天窗的关闭。更先进的智能钥匙则像一张信用卡,当司机触到门把手时,中央锁控制系统便开始工作,并发射一种无线查询信号,智能钥匙卡作出正确反应后,车锁便自动打开。此外,这种钥匙还具有防盗功能:只有当中央处理器感知钥匙卡在汽车内时发动机才会启动,无钥匙进入系统,有一种更为先进的汽车防盗系统甚至不用车钥匙就能自动进行防盗的工作,称为“远程无钥匙进入系统”。它的功能如下:

密码锁车门。当司机远离车辆时车门将自动上锁并进人防盗状态;关闭车门时,系统将通过声音提示,喇叭响一次,车灯亮一次。同时,提示灯闪红色,电动车窗会自动关闭。

密码开车门。当司机接近车辆2至3米时,系统将对司机身份进行自动识别,识别无误后系统自动打开门锁,实现完全的无钥匙进车辆。待车灯亮两次时表明车门已经被打开,司机拉开门把手即可进入车辆随即指示灯转入关闭状态。

密码启动。密码启动功能的目的是最大限度地提供车辆防盗保护。当有人进入并试图启动车辆时,密码识别器会自动鉴别此人的身份,如果识别到的是合法的身份信息,指示灯绿色闪亮,司机可以启动车辆,同时,该密码识别器无法复制,防盗级别较高。

火车

1804年2月29日,特里维西克把瓦特的蒸汽机改造成高压蒸汽机,从而成功地制造出可以在轨道上行驶的火车头,这个火车头沿着专门轨道由默尔瑟开到阿伯西昂,开创了世界上第一辆蒸汽车的光辉行程,十年后,英国发明家斯蒂芬森制造并改装了一个相似的火车头,并铺设铁轨,开始在煤矿中使用。这样,后人也就把他视为了火车的发明人。

19世纪中期的英国伦敦工厂如雨后春笋,高大的烟囱林立,处处浓烟滚滚烟雾混杂在一起形成极浓的灰黄色……工业革命以机器大工业代替了工场手工业。这个时代需要大量的燃料原料,与此相对应的,现代运输工具也将应运而生。

1800年,19岁的英国机械师特里维西克已在制造蒸汽机方面崭露头角他发现如果让高压蒸汽在汽缸内膨胀就能制造出较小、较轻的蒸汽机、而功率并不比低压的小。由此他设计了一种高压蒸汽机,体积要比瓦特制造的低压蒸汽机小得多,可以安装在车体上。但业主们不愿报废旧机器去尝试这种新的高压蒸汽机,特别是他们还听说新机器不安全。特里维西克毫无办法,他只能把他的新机器用来推动在一条环形轨道上开动的机车,作为一种娱乐器具隆重推出。人们果真被吸引了,这就是近代铁路的问世。如此说来,在公园里时常能见到的供游人乘坐的小火车才是这项发明的原始用途。1803年特里维西克建造了世界上第一辆利用轨道的机车1804年在英国威尔士的卡迪夫市做首次运行。这辆机车的锅炉装有安全塞(铅铆钉),温度太高时就熔化使蒸汽逸出,以免造成损害。1812年,特里维西克又建造了全新的火管锅炉。特里维西克的创造发明为19世纪动力机械的发展奠定了基础。

但是特呈维西克发明的火车却经常发生零件损坏、出轨等事故,他虽然进行了一些必要的改革,但事故仍然不断发生从而使他失掉了信心放弃了研究。

1813年,英国人布兰顿认为,要解决火车在铁轨上打滑的问题,还是采取模仿马车的办法为好。他提出的方案是在机车的后面附上两只脚,也就是用两根杠杆的装置相互替换着,模仿人推车的动作来推动火车前进。但这次实验仍以失败告终。

1814年,英国工程师斯蒂芬森推出了第一台蒸汽机车,最初的速度很慢每小时仅6,4千米。当这列蒸汽机车和马车赛跑时,竟被马车远远地甩在了后面。但是斯蒂芬森并不灰心,他以巨大的勇气和毅力继续对火车进行研究和改进。在随后的五六年时间里,他一共制造了16部火车头,全国各地的工程师络绎不绝地来到这里参观他们都对这位自学成才的青年工程师所取得的成就赞叹不已。

斯蒂芬森发现自己设计的火车头有严重的缺陷:锅炉产生的蒸汽没有很好地利用,绝大部分都白白地浪费了。

斯蒂芬森还在路基和铁轨铺设上下了一番工夫。他曾说过一段有趣的话“火车与铁轨是夫妻关系,只要它俩关系融洽,火车的速度是不可估量的。”

果然经过艰苦不懈的努力,世界上第一条铁路——英国斯托克顿到达林顿约48千米长的铁路正式通车了。负责铁路勘测和修建的总工程师是斯蒂芬森,负责制造机车的也是斯蒂芬森。经过多年的努力,斯蒂芬森制造的火车头日趋完善,这就为世界上第一条客货运铁路的通行奠定了基础。

磁悬浮铁路

我们通常所见到的火车都是有轮子的,但也有一种会“飞”的火车,它不需要轮子就可以在轨道上行进,这就是磁悬浮列车。磁悬浮列车的发明者是海曼·肯佩尔。

海曼·肯佩尔出生在位于德国与荷兰边境的下萨克森州的一个小镇拉腾。一天,肯佩尔异想天开,希望火车也可以像天上的飞机一样,没有轮子就能够飞行于地面之上。他为了实现自己的梦想,努力钻研电学知识。功夫不负有心人,最终他从电磁铁的特性中获得了灵感。

大家都非常熟悉磁铁,磁铁具有同性相斥、异性相吸的特点。如果是电磁铁,断开电源,铁芯由于没有了电流立即去磁,也就不会发生相斥相吸的现象了。由此,肯佩尔想,如果把很多电磁铁装在火车上及地面的轨道上,这样火车就会因为它们产生相互排斥的力量而浮了起来。如果再找到可以令悬浮的火车前进的方法,那火车就可以抛开轮子了,而且这样的行驶速度会远远大于普通火车。

因此,肯佩尔开始在自己家的地窖里创造高速火车模型。他把发动机的部件——转子(转于是电动机的转动部分,由转轴、转子铁芯、转子绕组、风扇等部分组成)和定子线圈(定子是电动机的不动部分,由定子铁芯、定子绕组和机座等构威)平铺在地面上,并且让10万赫兹的振荡电流通过它,果然和预想的一样,电磷力使火车模型悬浮了起来,1934年,肯佩尔申请并获得了磁悬浮列车的专利。

1969年,第一台磁悬浮列车在德国研制成功。

1974年,日本研制出小型磁悬浮列车,并于1985年在国际科学技术博览会上进行现场表演,总计约有11万人次试乘。

1994年,世界上第一条从柏林到汉堡的磁悬浮列车铁路正式开始动工修建。运行于其上的列车速度快于高速列车2/3,而票价则与高速列车相差无几。

我国计划在上海至杭州建造了一条磁悬浮铁路,全长170千米,列车速度可达到500千米/小时。乘客乘超高速磁悬浮列车,仅需20分钟就可从上海到达杭州。

磁悬浮列车的发展前景十分美好如今,它正朝着超导磁悬浮列车和真空隧道磁悬浮飞车方向发展。超导磁悬浮列车用的是没有电阻的超导电磁线圈即使经过很长时间,电流量也不会衰减,又进步提高了列车速度。真空隧道磁悬浮飞车是设想修建一条长距离被抽成真空的地铁隧道,由于运行中几乎没有空气阻力,列车速度可达2,3万千米/小时。当理想变成现实以后,磁悬浮列车便会真的飞起来。

交通信号

交通信号是交通管理人员通过一定的形式和特定的内容,向运行的车辆和行人发出的能否通行或如何通行的信息标识。它是带有行政命令的号令,所有交通参与者都必须严格遵守,以保障交通安全、畅通,防止交通事故的发生。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制,从采用计算机控制到现代化的电子定时监控,交通信号在科学化,自动化上不断地更新、发展和完善。

交通信号的发明

1868年,英国机械师德·哈特产生了将火车轨道信号应用在道路上的想法。

他在伦敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们像铁路信号一样有一个倾侧臂,并且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用。不幸的是,仅面世23天的煤气灯突然爆炸,一位正在值勤的警察因此送命。从此,城市里的交通信号灯被取缔了。直到20世纪初,由于汽车的发明交通工具数量不断增加,使用交通信号便成为一种需要。1914年,美国人阿尔弗雷德·贝尼施发明了一种红绿灯系统,并且在俄亥俄州的克利夫兰安装了第一批这种交通信号灯,这时使用的已经是“电气信号灯”。4年后,在设置于纽约的交通信号灯上又增加了第三种颜色——黄色,提醒人们注意危险。至今,红、黄、绿三色信号灯已遍及全世界的各个交通领域了。

所有交通信号,包括各种灯光指挥信号,交通指挥信号和手势指挥信号,其作用在于对平面交通路口各方向同时到达的车辆,行人交通流分配最有效的通行权,在时间上将互相冲突的交通流进行短暂分离,以便它有效地通过路口。一切车辆和行人都必须服从交通信号指挥。

交通信号的种类

交通信号有灯光指挥信号交通指挥信号和手势指挥信号三种。交通信号灯是以不同颜色的信号灯来实现交通控制和安全指示的重要手段。手势指挥信号主要用于交通警察临时指挥车辆通行。交通警察的指挥棒信号和手势指挥信号在交通指挥中具有技术简单和使用方便的优点,也有优先使用的意义,也就是说,车辆和行人道有灯光信号(交通信号灯),交通标志和交通标线与交通警察的指挥不一致时应首先服从或只服从交通警察的指挥。

帆船

帆船是利用风力张帆行驶的水上交通运输工具。帆船的重要地位持续了很长一段时期,风帆的技术改良,使帆船更容易操控。这种扬帆航行的船为海上贸易运输做出了重要贡献,曾是无可替代的海上霸主。虽然现在帆船已被更加先进的货轮取代了水上货运工具的地位,但帆船独特的构造,使它成为人们海上娱乐的重要工具。

帆船的起源

帆船起源很早,早在8000年前,古代埃及的尼罗河水上航行用具中即出现了帆船的踪影,当时的旅人及渔夫都是撑篙驾着由芦苇制成的木筏来越过浅滩及大河,这种以芦草为船体加上简陋的帆,可以算是现代帆船的始祖。