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第13章 车水马龙——关于道路交通的小科学(2)

对角斑马线

对角斑马线是根据两点之间直线最近,以及几何原理“三角形的两边之和大于第三边”造成的。对角人行横道线的作用,主要是让行人快速穿越路口,省时省距离,不用拐来拐去,直接可以斜穿到对面。

对角斑马线很人性化,很有创意。但对角斑马线不是随时随地都能走的,必须按照“人行信号灯全为绿灯,车辆信号灯为红灯”的条件,方可以斜穿马路,否则,将影响到机动车的通行,还会带来危险。

设置对角人行横道线,路口必须具备三个条件:路口信号灯有四绿、四红(即路口人行信号灯全为绿灯,车辆信号灯全为红灯);路口较小;路口人流量非常大。因此,风景区、商业街等行人多的路口,比较合适推广对角人行横道线。

⑷激光斑马线

这项创意来自于韩国女设计师Hanyoung Lee。它由两边的激光柱发射出激光,形成一面类似于墙壁的无形遮蔽墙,上面映出来来往往的红色人影,非常醒目。面无形遮蔽墙并非时时刻刻都存在,只有当前方红灯亮起时,激光才会生成。在停车线与斑马线之间阻隔出一道安全保障壁垒,车辆在壁垒的另一端停车,让过往行人能够安全有序地通行。这项设计被称为是“具有划时代意义”的创意。

激光斑马线

⑸虚拟斑马线

路上的斑马线是有上面的"路灯"投射出来的。这个由俄罗斯Lebedev参与设计的叫做空气人行道的虚拟斑马线不仅很艺术而且还很安全和人性化。在黄昏或深夜行驶的汽车对于过路的行人简直就是隐形杀手,因为地面的斑马线根本看不清楚。通过路灯投射出的虚拟斑马线不仅很艺术表现出斑马线的外观,而且驾车者远远的就会看见到行人的影子,保证了行人的安全,而且它还能帮助照明。这个虚拟斑马线计划不是什么概念产品或行为艺术产物。它是实实在在将要纳入计划的产物。在俄罗斯的图们江地区,并且得到了当地交通警察的批准。

虚拟斑马线

知识卡片:

斑马线来历

斑马线源于古罗马时代的跳石。早在古罗马时期的庞培城的一些街道上,车马与行人交叉行驶,经常使市内交通堵塞,还不断发生事故。为此,人们便将人行道与马车道分开、并把人行道加高,还在靠近马路口的地方砌起一块块凸出路面的石头--跳石,作为指示行人过街的标志。行人可以踩着这些跳石,慢慢穿过马路。马车运行时,跳石刚好在马车的两个轮子中间。后来,许多城市都使用这种方法。

4.“工”字形的铁轨

日常生活中,很容易损坏的衣物是袜子,一双袜子通常袜面还是相当好的,但袜底破烂不堪了。所以在制作时要考虑到把材料用在“刀口”上。像这样因地制宜,以及因材施料的科学方法,在一般工程上的例子是很多的,如火车的钢轨要做成工字形的原因。

铁轨外形

16世纪下半叶,在英国和德国的矿山和采石场铺有用木材做成的路轨。在轨道上行走的车是靠人力或畜力推动的。1767年,英国的金属大跌价,有家铁工厂的老板看到堆积如山的生铁,既卖不出去赚不了钱,又占用了很多地方,就令人浇铸成长长的铁条,铺在工厂的道路上,准备在铁价上涨的时候再卖出去。可是,人们发现车辆走在铺着铁条的路上,既省力,又平稳。这样,铁轨先于火车诞生了。

轨道通常由两条平行固定放在轨枕上的钢轨组成。以钢铁制成的路轨,可以比其它物料承受更大的重量。铁条上行车毕竟不是很方便的,于是,铁条得到了改进,做成凹槽形的铁轨。这种轨道可以防止车轮滑出,但容易在凹槽中积上石子、煤屑,铁轨很容易损坏。于是,人们把铁轨做成了上下一样宽,中间略窄的形状,这样垃圾不易积起,铁轨也不容易损坏。可是这种轨道不是很稳的,铁轨受到冲击容易翻倒而导致车辆出轨翻车,一般而言,轨道的底部为石砾铺成的路碴。路碴亦称道碴、碎石或道床,是为轨道提供弹性及排水功能。人们又把铁轨的下面加宽,造成像汉字的“工”字形,这种形状的轨道既稳定又可靠,一直沿用到今天。

铁轨

现代的火车载重量都相当大,为了可以经得起载重相当大的车辆施加的压力,钢轨的顶面必须有一定的宽度及厚度来承受这些压力。为了提高钢轨的稳定性,钢轨的底面也必须有一定的宽度;并且为了适应带有轮缘的车轮,钢轨也要有相当的高度。为了承受火车的重量,并且提高铁轨的稳定性,铁轨的顶面和底面必须有一定的宽度和厚度。为工字形抗弯强度与完整的长方形几乎相同,但节省了很多材料,减轻了重量,所以采用工字形,因为“工”字形一方面于火车车轮相匹配,另一方面这种形状强度最高。如同一张纸,拿一端,整张纸要弯曲,而在中间折二、三下,再拿一端,纸就不会弯曲。“工”字型铁轨是同样的原理。工字形的钢轨刚好可以满足这三方面的要求。并且从材料力学的观点来看,这种形式的钢轨的强度相当高,恰好充分合理地利用了钢材,所以工字形断面,就被选定为最好的钢轨断面。

行驶中的火车

工字形的钢轨,在铁路上已持续使用了100多年,它除了为适应机车载重量的增大以及车速的提高,还增大钢轨的断面以及改进各部分细节的设计,钢轨的形状大多没有任何改变。但是这也并不是说钢轨的形状就永远不会改变了,长久以来一直有人在从事这方面的研究,希望可以找出更合理更经济的钢轨形状。

知识卡片:

火车的发展

火车是人类历史上最重要的机械交通工具。

1804年,由英国的德里维斯克利用瓦特的蒸汽机造出了世界上第一台蒸汽机车,这是一台单一汽缸蒸汽机,能牵引5节车厢,时速为5至6公里。因为当时使用煤炭或木柴做燃料,所以人们都叫它“火车”,于是一直沿用至今。

世界上第一列真正在轨上行驶的蒸汽火车是由康瓦耳的工程师查理礠里维西克在1840年所设计的,但略有缺憾。

1903年,西门子与通用电气公司研制的第一台实用电力机车投入使用。其时速达到200公里。

火车的发展,后经过汽油内燃机车、柴油内燃机车等,直到现在开发了磁悬浮列车。

5.车轮总是圆的

日常生活中同学们经常见到的汽车,摩托车、自行车等一些交通运输工具的车轮是什么形状的?圆的轮子能滚动,这只不过是一种表面现象,而且一定要抓住圆的实质,对圆进行科学的分析,找出车轮做成圆的根本原因。车轮

圆具有许多独特的性质,圆的数学定义是“平面内到定点的距离等于定长的点的集合”,也就是说,圆周上的每一点到圆心的距离都是相等的。

古往今来,人们把车轮做成圆形的,就是根据圆的这个性质。圆有什么重要的性质呢?外面的圆圈叫圆周,画圆圈时圆规扎的一点叫圆心。让我们拿一根尺子量一量圆周上任何一点到圆心的距离吧,它们都是相等的。这相等的距离,叫做半径。

也就是说,车轮边缘上任意两点到轴心的距离都相等,任意一上到转的距离是一个定值。圆心到圆周上任意一点的距离都是相等的,这个相等的半径都是相等的。车辆在平坦的路面上行驶时,车轮与地面上的任意一条直线都是相切的。由圆的切线定义和性质可知,当车轮向前滚动时,轮子的中心,即圆心与地面的垂直距离总是不变的,那就不用考虑轮胎的大小。因此,人们把车轮做成圆形,并使车轴通过圆心,当车轮在平地上滚动时,车轴离开地面的距离就总是等于车轮的半径,轮轴始终处于同一高度的平面上,安装在车轴上的车厢,乘坐的人就不会有上下颠簸的感觉,很舒服这样行驶起来才会平稳。试想一下,如果车轮做成方形的或椭圆形的会怎么样呢?假设这车轮子已经不是圆形了,那么轮缘上高一块低一块的,也就是说从轮缘到轮子圆心的距离都不相等,那么这种车子走起来,一定要把人颠昏,还怎么能更好地前进呢?

从另一个角度来看,圆形的车轮是最省力的,不是圆形的轮子滚动起来多费劲啊,就像一步几个坑那么地走着。从受力来说,圆形可以受力均匀,每一点用力几乎相等,这样才能承受来自不同方向的压力。若车轮是方形或者其他带有棱角的形状,当有车轮的冲击荷载作用其上时,棱角部位最容易损坏,那么材料的使用没有得到最优化。是必然被淘汰的。

自行车

车轮做成圆的,当然也还有别的原因,比如圆是最简单最优美的几何图形,圆形的东西也最容易制作等。人类很早就会画圆和制作圆形的东西。从地下发掘出来的公元两千多年前的陶器大多数是圆形的,有的上面还刻有圆形的图案,主要是因为圆形符合人类的审美规则,圆形的东西特别易入眼。

古代陶器

知识卡片:

圆周运动

在物理学中,圆周运动是在圆圈上转圈:一个圆形路径或轨迹。当考虑一件物体的圆周运动时,物体的体积大小会被忽略,并看成一质点。

圆周运动以向心力提供运动物体所需的加速度,而这向心力把运动物体拉向圆形轨迹的中心点。若果没有向心力,物体会跟随牛顿第一定律惯性地进行直线运动。即使物体速率不变,圆周运动是变加速运动,物体的速度方向在不停地改变。

圆周运动的例子有:一个人造卫星跟随其轨迹转动、用绳子连接著一块石头并打圈挥动、一架赛车在赛道上转弯、一粒电子垂直地进入一个平均磁场、一个齿轮在机器中的转动(其表面和内部任一点)、皮带传动装置、火车的车轮及拐弯处轨道。