书城科普读物生活的科学
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第7章 交通的科学(3)

除此之外,还有别的什么原因使火车行驶上钢轨上吗?答案是:有的。

铁路的两条钢轨之间有一定的距离,叫做轨距,它跟同轴的两个有轮缘的车轮的距离是相配合的。这样,通过车轮与钢轨的关系,火车就能顺着两条钢轨的方向行驶了,这也是火车要在钢轨上行驶的另一个原因。

铁路桥为何在钢轨的内侧要多铺两条钢轨

预防脱轨

铁路桥的铁轨,经常能见到内侧多铺两条铁轨,这是为什么呢?原来是为了预防脱轨。我们知道火车那么重,速度又那么快,要是万一出了轨,破坏力该有多大呀!撞树,树倒;撞房,房塌;要是撞在钢铁的桥梁上,即使桥梁的构件再粗再大,也难保不遭破坏。

所以,在设计铁路桥梁时,除了本身必须十分坚固,保证火车能够安全、平稳通过以外,桥面上还必须有保证火车车辆万一在桥头或桥上发生脱轨事故的安全设施。这种安全设施,就是在紧靠线路轨的里面,再铺一条跟它平行的钢轨,叫做护轮轨。

护轮轨的作用是:万一火车在桥头或桥上出轨,当右边的车轮落到线路轨外侧的时候,左边的车轮就被左边的护轮轨牢牢挡住,使车轮落在线路轨与护轮轨之间,而不致继续横移了。同样的道理,如果左边车轮落到线路轨外侧时,由于右边轨道内的护轮轨的作用,火车也就不会横移了。这样就保护了火车,使它不致出轨撞坏桥梁,或是发生翻车事故。

护轮轨的设置

那么,是不是铁路上所有的桥梁上都设有护轮轨呢?不是的。依据我国铁道部的规定,只是在较长的桥,或桥身很高的桥上,才铺设护轮轨。这时,阻力就是滚动摩擦阻力。在一般情况下,滚动摩擦阻力,只有滑动摩擦阻力的四十分之一到六十分之一,所以滚动物体比推动着物体滑行要省力得多。

没有装滚珠轴承的车子,车轮的轴承与轴颈间的摩擦,也是滑动摩擦,阻力比较大,这样的轴承不但容易磨坏,而且车子也跑不快。装上滚珠轴承的车轮,车子开动时,车轮的轴就在滚珠上滚动,滚珠又沿着轴承外圈的滚道滚动。这样一来,把滑动摩擦都变成了滚动摩擦,阻力大大减小了,所以车子也变得轻便省力了。

21世纪的绿色交通工具——电动车

电动车的初期发明

电动车的历史比我们现在最常见的内燃机驱动的汽车要早。匈牙利的发明家、工程师阿纽什·耶德利克最早于1828年在实验室试验了电磁转动的行动装置。美国人托马斯·达文波特于1834年制造出第一辆直流电机驱动的电动车。在1832~1838年之间,苏格兰人罗伯特·安德森发明了电驱动的马车,这是一辆使用不能充电的初级电池驱动的车辆。1838年苏格兰人罗伯特·戴维森发明了电驱动的火车。今天在路面上依然行驶的有轨电车是1840年在英国出现的专利。

随着蓄电池技术的发展,电动车的运用在19世纪的下半叶在欧美得到了较为广泛的运用。1859年法国伟大的物理学家、发明家普朗特发明了可充电的铅酸电池。

电动车的高峰期

19世纪末期到20世纪初期年是电动车发展的一个高峰。在早期的汽车消费市场上,电动车比内燃机驱动车辆有着更多优势,无气味、无震荡、无噪音、不用换挡和价格低廉,这形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下汽车市场。

可是,后来出现的以石油为能源的汽车、摩托车等交通工具渐渐的将电动车给淘汰掉了。现在,因为石油资源的日益减少、大气环境的污染严重,人们才重新关注电动车。各个主要的汽车生产厂家开始关注电动车的未来发展并且开始投入资金和技术在电动车领域。而且,现在人们已经研制出使用锂离子电池的混合动力车。

公交卡刷卡原理

神奇的IC卡

我们现在生活中越来越多的出现了“刷卡”这个词,而这其中的“卡”也就是我们本文要提到的IC卡,IC卡是指集成电路卡,同学们乘坐公交车的时候所刷的公交卡就是IC卡的一种。一般常见的IC卡采用射频技术与IC卡的读卡器进行通讯。IC卡与磁卡是有区别的,IC卡是通过卡里的集成电路存储信息,而磁卡是通过卡内的磁力记录信息。IC卡的成本一般比磁卡高,但保密性更好,所以,同学们可以放心使用。

工作原理

我们每天乘坐公交车的时候,往往是听到“嘀”的一声就表示刷上卡了,可是公交卡的工作原理到底是怎么样的呢?很多同学对这个问题都比较好奇。原来,公交车IC卡是一种非接触式数据卡,集成在卡内的芯片通过卡上的电感线圈作用,在线圈的两端通过各种电路的作用使感应电流变为直流,再从直流两端并入一个相对较大的电容,可以使两端电压保持稳定,在线圈两端再引出两条线到芯片,作为信号传输线。在接近刷卡机时,线圈产生感应电压,便可以对卡与外部数据库的数据进行传输。也就是这个时候,我们可以听到“嘀”的一声。这样刷卡也就成功了。这就是公交卡的工作原理。

平行疾驶的两艘大轮船为何会相撞

意外事故

1912年秋天,有一艘当时世界上最大的远洋轮船——“奥林匹克”号出了事。一天,它正在大海上航行,在离它100米远的地方,有一艘比它小得多的铁甲巡洋舰“豪克”号与它平行地疾驶着。可是却发生了一件意外的事情,小船好像被大船吸了去似的,一点也不服从舵手的操纵,竟一个劲地向“奥林匹克”号冲去。最后,“豪克”号的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上,把“奥林匹克”号撞了个大洞。

事故原因

这个意外事故,主要是流体的性质所造成的。根据伯努利原理可以知道:液体的压强,跟它的流速有关系,流速越大,压强就越小。

知道了这个道理,就不难找到“奥林匹克”号出事的原因了。原来,当两艘船平行向前航行着的时候,在这两艘船中间的水,比外侧的水流得快,因此水对两船内侧的压强,比外侧部分受到的压强要小。于是,在外侧水的压力下,使两船互相靠近,以致“豪克”号撞到“奥林匹克”号的船舷上。

轮船靠岸为何总是选择逆水行驶

逆水靠岸的刹车

在陆地上,汽车要停车只需要刹车就可以了,可是,同学们知道轮船是如何“刹车”靠岸的吗?

如果同学们乘轮船,就会发现一个很有趣的现象:每当轮船要靠岸的时候,总是要把船头顶着流水,慢慢地向码头斜渡,然后再平稳地靠岸。江水越急,这现象越明显。例如在长江或其他大河里顺流而下的船只,当它们到岸时,却不立刻靠岸,都要绕一个大圈子,使船逆着水流方向行驶以后,才慢慢地靠岸。

逆水靠岸的原理

船要靠岸,就要减小自己的速度,当船靠岸时,它的靠岸速度等于船速与水速的合速度。因此,逆水靠岸的时候,船的速度相对较小,更有利于船的靠岸。

这样看来,使轮船逆水靠近码头,就可以利用水流对船身的阻力,而起一部分“刹车”作用;另外,轮船还装有“刹车”的设备和动力,例如,当轮船靠码头或运行途中发生紧急情况,急需要停止前进时,就可以抛锚,同时轮船的主机还可以利用开倒车来起“刹车”作用。

其它原因

另外,轮船靠岸或是停留抛锚总是逆水。还有一个原因,逆水靠岸也是由船的形状所决定的。为了使船在水中行驶时减小阻力,一般都把船造成船头尖、船尾大。当船在逆水的时候,船头朝着水流方向,这样水的冲力随着船头分成两股分力,从两舷流走,使两舷受力相等,船头受到的冲力就很小。铁锚又在船头上,它完全可以稳住船身。因此,在一般情况下,都是逆水抛锚。

为何沉重的大轮船能浮在水面上

轮船浮于水上的原理

现代的大轮船都是用钢造成的,钢的密度比水大7倍多,船里所载的货物如粮食、机器、建筑器材等也都比水重得多,为什么船载了这么重的东西还能漂浮在水上呢?

要说明这个问题,我们可以做个试验:把一张薄铁皮放在水里,它立刻就沉下去了;如果把这张铁皮做成一个盒子,重量没有改变,它却能漂浮在水上;不仅如此,在盒子里再装一些东西,盒子也仅仅下沉一些,仍能漂浮在水面上。这是因为盒子的底面上要受到水的压力,这种压力就是竖直向上的浮力,只要浮力大于铁皮的重量,就托住了铁盒使它不会下沉。当然铁盒的四周同时也受到水的压力,不过它前后两面所受的压力大小相等,方向相反,相互抵消了;左右两面的压力也同样相互抵消了。浮力是随着水的深度而增加,随着物体浸没在水里部分的体积增大而增大。因为铁盒子的体积比铁皮大得多,排开水的重量也大得多,所得的浮力也大多了,所以盒子里装了东西还能浮在水面上。大轮船能浮在水上的道理也是一样的。

阿基米德的定理

物体浮沉的定律,是2000多年前希腊的学者阿基米得发现的,他曾经准确地提出:“作用于水中物体上的浮力的大小等于物体所排开水的重量。”

船愈大,吃水愈深,就意味着船所排开水的重量愈大,船所得的浮力也愈大,当然也就可以装载更多的东西。

桥梁上为何有桥孔

到底是什么原因造成桥梁上有这么多的桥孔呢?下边,我们就来分两点讲述一下。

桥梁的跨度

一座桥就像一条板凳,板凳的横板就是桥的“梁”,是用来承载上面的负荷的,板凳的四条腿就是桥的“墩”,是用来把桥梁上的负荷传达到地下的。

因为桥梁是跨过桥孔的,所以桥孔的长度名为桥梁的“跨度”。显然,跨度越大,桥梁上的负荷就越多,所需要的桥梁“强度”也就越高。桥梁的强度,决定于制造桥梁的材料和材料构成的型式。材料和型式是多种多样的。同一材料,不同型式,或同一型式,不同材料,都影响到桥梁的强度。但是,不论用什么材料或什么型式,桥梁的强度都有一定的限度,这就决定了桥梁的最大跨度。如果桥下河流的宽度,大过这个最大跨度,也就是大过一个桥孔的最大长度,那么,这座桥就需要有几个桥孔了。

桥墩的强度

桥墩的强度也是决定桥梁最大跨度的一个因素,因为桥梁上的负荷随着跨度的增加而增加,而这增加出来的负荷是要由桥墩来承担的,这就要求桥墩的强度也要随着加大。桥墩的强度,也是由材料和型式来决定的,但它不像桥梁强度有限度,因为桥梁是两头架在桥墩上而中间悬空的,桥梁本身的重量就决定了桥梁跨度的最大限度;而桥墩是建筑在土石上面的,它的强度可以用加大宽度(如为矩形桥墩)的办法来加大。不过这里有一个重要的经济问题。跨越同一河流的桥,如果桥孔少,桥梁的跨度就大而桥墩的数目少;桥孔多,那么桥梁的跨度就小而桥墩的数目多。

大队人马不能整齐过桥

不能通过部队的桥

大约在160年前,拿破仑率领法国军队侵入西班牙,有一个部队从铁链悬桥上经过的时候,军官喊着口令:“一、二、三、四!”

随着口令,部队在桥上跨着整齐的步伐。当他们走近对岸的时候,突然轰隆一声响,桥的一头跌入了大河,把所有的士兵和军官都抛进了水里,淹死了很多人。

另外还有这样一件事:距今100多年以前,在俄国圣彼得堡有一支部队,行经丰坦卡河的桥梁时,也是跨着有节奏的步伐,同样也发生了桥坠人亡的事件。

神奇的共振

这究竟是什么原因造成的呢?是共振,是振动的重合。

当一队人齐步走的时候,所有的脚都以间隔相等的时间,同时使劲地踏到桥面上,这些周期性的作用力使桥梁结构受到巨大的振动。由于桥有自己的固有振动频率,如果行军步伐的周期性作用力的频率,接近(或等于)桥的固有振动频率,就会发生共振,到最后超过了设计规定的应力时,桥梁就倒坍了。因此,发生了上面所说的历史事故。

解决的办法

如果不是齐步走的话,步伐的节奏不同,彼此可以相互抵消一部分振动,因此就没有什么危险了。

因此,世界各国都有一条同样的规则:军队过桥时不能用整齐的步伐。

其他共振现象

在生活中,像这类共振现象是比较多的。譬如,登山运动员登山时严禁大声喊叫。因为喊叫声中某一频率若正好与山上积雪的固有频率相吻合,就会因共振引起雪崩,其后果十分严重。