书城科普读物生活的科学
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第5章 交通的科学(1)

随着现代科学技术的进步与飞跃,随着社会文化知识的丰富和积累,世界日新月异的变化,让交通充满了无穷的魅力,尤其是我们的出行,有了更加多样化的选择。

能够飞到天上的飞机

飞机飞行原理

我们平时总是会看到天空中一划而过的飞机,同学们可能好奇,这么大还是铁做的机器,是怎么飞到天上去的呢?其实,飞机飞行的原理很简单,下边就让我们一起来关注一下。

飞机机翼上下两侧的形状不一样,上侧的要凸些,而下侧的则要平些。当飞机滑行时,机翼在空气中移动,从相对运动来看,等于是空气沿机翼流动。由于机翼上下侧的形状是不一样的,在同样的时间内,机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程(曲线长于直线),也就是说机翼上侧的空气流动得比下侧的空气快。根据流体力学(空气动力学,帕努利定理)的原理,当飞机滑动时,机翼上侧的空气压力要小于下侧,这就使飞机产生了一个向上的升力。当飞机滑行到一定速度时,这个升力就达到了足以使飞机飞起来的力量。于是,飞机就上了天。所以可以这样说,飞机的升空不是托上天的,而是被“压”上天的。

飞机的特点

我们都知道现在的几种交通方式中,飞机的费用是比较高昂的了,可是每天还是有数以万计的人去乘坐飞机,这主要就是因为飞机有自己独特的特点所在:

首先,飞机具有速度快的特点。目前喷气式客机的时速在900千米左右,火车一天一夜的路程,乘坐飞机几个小时就能够到达了。

其次,飞机具有机动性高的特点。飞机因为是在空中飞行,所以飞行过程中不会受到地域的限制。

第三,飞机具有安全舒适的性能。据调查显示,飞机的出事概率是普通交通方式事故死亡人数的几十分之一到几百分之一,是比火车更为安全的交通运输方式。

飞机上为何也有红绿灯

飞机上的航行灯

同学们每天往来在交通繁忙的十字路口一定看到过红绿灯。交通警察用它们来指挥来往的车辆,避免发生交通混乱和事故。可是,同学们也许不知道的事,飞机在辽阔的空中飞行时,也会用到红绿灯,那飞机为什么也要用红绿灯呢?

在晴朗的夜空,随着一阵隆隆而过的声音,我们可以在天际发现几点红、绿、白3色灯火缓缓地飞过。这是飞机上的航行灯。它的作用同样是为了避免空中的交通事故。

天空虽然非常辽阔,但是现代飞机的速度很快,因此仍然会有对撞的危险。要避免空中对撞事故,除了对定期航班的民航飞机规定有一定的航线以外,同时飞行员在空中还必须注意观察前后左右的情况。为了便于飞行员观察周围有没有飞机,随时了解别的飞机同自己航向的关系怎么样,因此在夜航的时候,要在飞机的左右两侧和尾部开3盏航行灯,从飞行员的位置来看,红灯总是装在左翼尖,绿灯装在右翼尖,白灯装在机尾。3盏灯可以连续燃亮,也可以断续燃亮。

看灯辨位置

飞机在夜间航行时,必须打开航行灯。夜航飞机打开航行灯以后,飞行员观察情况就方便了。如果飞行员能同时看见三盏灯,这说明在自己的上空或下方有飞机在飞行,这时是没有危险的。如果只能看到红色和绿色的航行灯,说明有一架飞机正在迎面飞来,有对撞的危险,要设法避开。如果只能看见一盏红灯或绿灯,那说明在左侧或右侧有飞机在飞行,只要不偏离航线是不会相撞的。

辅助手段

当遇到有雾的天气,光靠航行灯是不够的,这时飞行员就得借助飞机上的雷达来判断飞近飞机的航向和距离。根据雷达不断向周围发射出的无线电波,飞行员可及时调整飞机的航向和速度,以免发生撞机事故。

飞机超音速时为何会有打雷一样的响声

音爆原因

当我们路过超音速飞机的机场附近时,有可能会听到“嘣嘣”两声巨响,犹如晴天霹雳,震耳欲聋。这就是超音速飞行中的所谓“音爆”。为什么会有这样的声音发生呢?原来飞机在飞行中,会扰动周围的空气,使空气的压力、密度随之发生相应的变化,并不断向外传播。在扰动传播的过程中,已被扰动的空气,与未被扰动的空气之间有一个分界面,我们把这个分界面叫做扰动波。因为飞机的速度有快有慢,所以扰动空气有强有弱,扰动波也有强有弱。波面前后压力有显著差别的,叫强扰动波,也叫激波。波面前后压力差别非常微小的,叫弱扰动波。

音波

我们平常听到的飞机飞行的声音就是弱扰动波所产生的,也是通常我们讲的音波。

弱扰动波的传播速度就是音速,强扰动波的传播速度就是超音速。飞机的飞行速度在低于音速时所产生的弱扰动波在气流中的传播,就像石头投到水里一样向四面扩散,飞机前后空气的压力差别较小。而飞机作超音速飞行时,机头、机翼、机身、机尾等处都会引起周围空气发生急剧的压力变化,产生强烈的前激波和后激波。当前激波经过时,空气压力突然增高,经过之后压力随即平稳下降,以至降到大气压力以下。然后当后激波经过时,压力又突然上升,逐渐恢复到大气压力。

如果飞机的飞行高度不太高,我们就可以在激波经过瞬间,听到好似晴天霹雳的雷声或像炮弹爆炸的声音,这就是超音速飞机飞行中的所谓“爆音”。由于有前后两个激波,所以我们能够听到短促的两声爆音。

与飞机过不去的飞鸟

飞鸟引发的事故

1960年的一天,一架美国的“伊莱克特拉”式涡轮螺旋桨式旅客机,从波士顿起飞不久,突然飞机上的4台涡轮螺旋桨发动机有3台坏了,整架飞机失去了平衡,一头栽到机场附近的一个水塘里。结果有62人死亡。

是什么原因使这飞机失事的呢?原来这架飞机撞上一群飞鸟,有几只鸟闯到3台发动机的进气口里去了。这是历史上由于飞鸟引起飞机失事的事故中最严重的一次。

飞鸟对飞机的危害,实际上还不止这一次。据美国的统计,从1965年以来,由于同飞鸟相撞,引起机上人员稍受伤害或者飞机稍受破坏的所谓“破坏性鸟撞”,每年平均在350起以上。

与飞机过不去的飞鸟

为什么飞鸟这样喜欢同喷气式飞机“过不去”呢?说起来,这并不能单怪飞鸟。

现在喷气式飞机上所用的发动机主要有两种:一种叫做涡轮喷气发动机,另一种叫做涡轮螺旋桨发动机。不管哪一种,都要从周围吸进大量的空气才能工作,因此它们的进气口都开得很大,如果飞鸟正好在它的附近飞行,就会身不由已地跟空气一起被吸进发动机里去。

喷气式飞机飞行的速度本来就很大,飞鸟虽然是柔软的骨肉之躯,但在高速的撞击之下,它的破坏力还是很厉害的;再加上喷气发动机内部结构十分精密,飞鸟撞了进去,就算发动机零件没有受到严重损伤,可是发动机的工作过程也会受到严重的影响,甚至迫使发动机停下来,使飞机丧失前进的动力,结果造成失事。

汽车前灯的玻璃灯罩

手电筒的光

你用过手电筒吗?汽车前灯的组成与手电筒灯头的组成相仿,有灯泡、反射镜和灯前玻璃。不过汽车前灯的灯前玻璃是做成横竖条纹的,而手电筒上用的却是一块普通的平玻璃。那么,为什么汽车前灯的玻璃灯罩要有横竖的条纹呢?

其实道理很简单,通过一个小小的实验就能明白其中的道理。同学们可以在晚上讲房间中的灯关掉,然后打亮手电筒察看一下。细心的同学会发现手电筒的光束狭窄而笔直。而这样的光束对夜间赶路的行人,是很方便的,人们可以随意的调整手电筒的方向来观察自己前方的路况。然而对于一辆急速行驶的汽车来说,这种照明情况却隐含有莫大的危险。

因为这种狭窄而界限分明的光束,虽然能看清前方,但路边的一切几乎都不能看见,这给车辆驾驶带来极大困难。再说,亮处明晃晃,暗处黑糊糊,这种一暗一明的鲜明对比,还会使驾驶员目眩,特别是在汽车震动或晃动的时候,由于亮处不断地急剧变位,驾驶员为适应照明情况的不断变化,视觉很容易疲劳。

汽车灯罩的改变

因为,狭窄而集中的光束会给司机带来很多的弊端。为此,工程师们曾进行了种种探索,来改进这种前灯照明不佳的情况。

先是采用同毛玻璃相仿的磨砂灯泡。这样,因散光程度的增加而削弱了眩目作用,也能很好地辨清周围环境,如向左、向右的支路、林荫树、路沿等等。后来,又有人用散光程度相仿的磨砂灯前玻璃来替代磨砂灯泡。但是,磨砂灯泡和磨砂玻璃的散光作用不仅发生在车子的侧面和前方,也发生在上方,因此有许多光束浪费掉了。但是,现在用这种有横坚条纹的散光玻璃,就能克服这些缺点。

这种散光玻璃大都是用金属模具压制成的,实质上它是透镜和棱镜的组合体,具有将光线折射而分散到所需要方向的作用。所以,现代汽车装有这种灯前玻璃以后,汽车前灯就能均匀柔和地照亮它前进的道路和路边的景物。另外,这种散光玻璃还能使其中一部分光折射得略偏向上和两侧,以便照明道路标志和里程碑等。就这样,一块不甚醒目的散光玻璃,起到了巨大的作用。

飞机驾驶员如何知道飞机在空中的高度

了解飞机高度的重要性

在飞机上,飞行员如果不能随时知道自己在空中的高度,是非常危险的一件事情。以前人们不能测量飞机在高空中的高度时,经常会发生民航飞机失事的事故,有几次就是因为驾驶员起飞或着陆时不注意自己的高度,结果糊里糊涂地让飞机撞到机场附近高大的建筑物上,或者是高山上,不仅破坏了地面上的建筑物,而且造成了机毁人亡的惨剧。

可见,随时知道飞机在空中的高度,不论对军用飞机或民用飞机,都是非常重要的一件事。

测量高度的仪表

飞机因为飞行的需要,有时在高空飞行,有时又在只有几米的超低空飞行。在这样广阔的范围里忽上忽下,要想随时知道自己的高度,是一件非常不容易的事情。但是,飞机仪表工人,造出了几种测量高度的仪表,把这些仪表装在飞机上,就能随时测量飞机所处的高度。

一种仪表叫做压力式高度表。这种仪表有一个圆圆的表盘,像个小闹钟,表盘上刻有指示高度的刻度,还有转动的指针。指针随着飞机的高度变化而转动,飞行员只要一看指针指示的数值,就能够知道当时飞机的高度。

为什么指针会随着高度变化而转动呢?原来它利用了大气压强随高度变化的规律。在地球表面上,海平面的大气压强最高,随着高度的增加,大气压强就按照一定的规律逐渐减小,不同的高度有不同的压强,因此只要测出压强,就可以推算出高度。压力式高度表中有一个用薄膜做的膜盒,这个膜盒会“感觉到”外界压力的变化而发生膨胀或收缩,当它膨胀或收缩时,就带动指针转动,直接指示出飞机所在的高度来。

这种气压式高度表构造简单,使用方便,但是有一个缺陷:它只能告诉飞行员飞机离开海平面的高度是多少,而不能测定飞机离开当地地面的具体高度是多少。如果不能知道同当地地面的距离,飞机还是不可能正常、安全飞行。

于是,仪表工人们又创造出另一种高度表——无线电高度表。这种高度表能够测量飞机离开当地地面的实际高度。

这两种高度表各有优点,也各有缺点。为了及时准确地知道飞机的海拔高度和距离当地地面的高度,在现代的飞机上,往往同时装上这两种高度表。

城市中最便利的交通工具——地铁

地铁发展史

世界上首条地下铁路系统是在1863年开通的“伦敦大都会铁路”,是为了解决当时伦敦的交通堵塞问题而建。当时电力尚未普及,所以即使是地下铁路也只能用蒸汽机车。由于机车释放出的废气对人体有害,所以当时的隧道每隔一段距离便要有和地面打通的通风槽。

到了1870年,伦敦开办了第一条客运的钻挖式地铁,在伦敦塔附近越过泰晤士河。但这条铁路并不算成功,在数月后便关闭。现存最早的钻挖式地下铁路则在1890年开通,亦位于伦敦,连接市中心与南部地区。最初铁路的建造者计划使用类似缆车的推动方法,但最后用了电力机车,使其成为第一条电动地下铁。早期在伦敦市内开通的地下铁亦于1906年全数电气化。

1896年,当时奥匈帝国的城市布达佩斯开通了欧洲大陆的第一条地铁,共有5公里,11站,至今仍在使用。法国巴黎的巴黎地铁在1900年开通,最初的法文名字“大都会铁路”。

中国第一条地铁线路始建于1965年7月1日,1969年10月1日建成通车,使北京成为中国第一个拥有地铁的城市。

地铁主要用途

绝大多数的城市轨道交通系统都是用来运载市内通勤的乘客,而在很多场合下城市轨道交通系统都会被当成城市交通的骨干。通常,城市轨道交通系统是许多都市用以解决交通堵塞问题的方法。

美国的芝加哥曾有用来运载货物的地下铁路;英国伦敦亦有专门运载邮件的地下铁路。但两条铁路已先后在1959年及2003年停用。目前所有城市地下铁路仅为客运服务。有些地方的地下铁路建筑在地底下为的不单是避开地面的繁忙交通及房屋,还有为避免铁路系统受到户外的恶劣天气破坏。

另外,城市轨道交通系统亦被用作展示国家在经济、社会以及技术上高人一等的指标。例如苏联的地下铁路系统便以车站装饰华丽出名,而朝鲜首都平壤的地下铁路系统亦有堂皇的装饰。

地铁优点

1.节省土地。由于一般大都市的市区地皮价值高昂,将铁路建于地底,可以节省地面空间,令地面地皮可以作其他用途。

2.减少噪音。铁路建于地底,可以减少地面的噪音。

3.减少干扰。由于地铁的行驶路线不与其他运输系统重叠、交叉,因此行车受到的交通干扰较少,可节省大量通勤时间。

4.节约能源。在全球暖化问题下,地铁是最佳大众交通运输工具。由于地铁行车速度稳定,大量节省通勤时间,使民众乐于搭乘,也取代了许多开车所消耗的能源。

5.减少污染。现在虽然推出了电动汽车,但是大多数的汽车仍然是使用汽油或石油作为能源,而地铁使用电能,没有尾气的排放,不会污染环境。

地铁缺点

1.建造成本高。由于要钻挖地底,地下建造成本比建于地面高。

2.前期时间长。建设地铁的前期时间较长,由于需要规划和政府审批,甚至还需要试验。从开始酝酿到付诸行动破土动工需要非常长的时间,短则几年,长则十几年也是有可能的。

3.虽然地铁对于雪灾和冰雹的抵御能力较强。但是对地震、水灾、火灾和恐怖主义等抵御能力很弱。由于地铁的构造,而导致极易因为这些因素发生悲剧。

地铁的安全性

因为,地铁本身所具备的一些特性,所以,自地铁出现以来,工程师们就不断持续研究如何提高地铁的安全性。