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  • 生活科普:車輛剎車靠摩擦,輪船剎車靠什么?
    來源:科學信仰
    發布時間:2022-05-13
    瀏覽次數:447

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    任何車輛的安全行駛都少不了制動裝置,機動車如此,非機動車也是如此。

    不論是什么樣的車輛,它們的制動原理本質上都是相同的,就是利用摩擦力。汽車依靠的就是剎車碟片,其原理也比較簡單,就是用卡鉗夾住剎車盤,從而利用摩擦力使車輛停止運動。既然是利用摩擦力,所以卡鉗與剎車盤的接觸面積就顯得尤為重要,比如F1賽車的卡鉗就要比普通汽車大很多,所以制動能力也要強很多,一輛時速為100公里的普通汽車從緊急制動到完全停下大概需要4、5秒鐘的時間,而一輛時速400的F1方程式賽車所需要的時間也僅為4秒。汽車依靠摩擦力實現制動,自行車同樣如此,也是利用剎車皮與車輪的摩擦來進行剎車的。

    在陸地上行駛的車輛都有剎車,那么在大海中航行的巨輪是否也有剎車呢?

    很多人也許會認為沒有,如果輪船也有剎車的話,泰坦尼克號又怎么會撞上冰山呢?事實上并非如此,輪船還真是有剎車,只不過輪船從緊急制動到完全停下來要花更長的時間。一般而言,一艘集裝箱貨輪的制動時間大概在10分鐘左右,從開始制動到完全停下來還要滑過2公里左右的距離。這制動時間也太長了吧?如果與陸地上行駛的車輛相比,輪船的制動時間確實是長了點,不過這也完全夠用了,因為在廣闊無邊的大海上,幾乎不會出現需要緊急制動的情況,所以制動時間長一點也是可以接受的。

    輪船的制動時間長,其實也是一件沒有辦法的事情。

    在陸地上,我們只需要讓車輪停止轉動,地面強大的摩擦力自然就能夠讓車輛停下來,但是海洋中就不同了。輪船的四周都是水,所以即便輪船的動力裝置完全停止運作,輪船依舊可以向前航行很長的時間和很遠的距離,由此可見,只是單純的讓螺旋槳停止轉動是不行的,想要讓輪船停下來,不僅螺旋槳要停止轉動,還要與原來的方向反著轉,給輪船施加一個相反的動力,如此才能夠保證讓輪船在十幾分鐘內剎住船。那么怎樣才能夠讓螺旋槳反著轉呢?

    如果聯系汽車的動力系統來看,讓螺旋槳反轉似乎也不是什么難事,只需要依靠齒輪箱就可以了。

    的確,依靠齒輪箱可以讓螺旋槳實現反轉,但問題是大型的集裝箱貨輪通常都不會裝備齒輪箱,眾所周知,齒輪箱的主要作用就是調速,而大型貨輪發動機的轉速是很慢的,再裝備一個齒輪箱調速是完全沒有必要的。既然大型貨輪的螺旋槳是直接與發動機相連的,那么想讓螺旋槳反轉就只有一個方法,那就是讓發動機反轉。這個事如果放在汽車的身上,那就是個笑話,因為總不能每次倒車都先把發動機熄火再重啟吧?但放在輪船身上就很合理了,因為輪船所使用的是兩沖程的柴油發動機。

    簡單來講,兩沖程的柴油發動機工作原理是這樣的。

    當柴油混合空氣發生爆炸后,會將活塞向下推動,當活塞下降過氣缸底部的進氣口時,經過渦輪加壓的空氣會進入氣缸,同時頂部的排氣口會打開,廢棄開始排出。接下來活塞會在慣性作用下向上運動,向上運動的活塞不斷壓縮頂部氣體,使溫度和壓力都不斷提升,此時噴油裝置會打開向內噴油,于是再次發生爆炸,一次新的循環有開始了。從柴油發動機的工作原理可知,要讓其反過來轉并不難。首先先要切斷燃油供應,然后再從氣缸上部注入氣體,讓活塞運動逐漸停止,此時將負責排氣和噴油的凸輪調整到相反的位置,然后再恢復供油,發動機就會按照與之前相反的方向轉動了,這個過程可以說是一氣呵成。

    通過讓發動機反轉從而實現螺旋槳反轉,是大型貨輪最常用的制動方式,那么如此之外,是否還有其它方法呢?有,比如使用可變螺距的螺旋槳。

    可變螺距螺旋槳的制動原理也很簡單,就是在轉動方向不變的情況下改變槳葉的角度,從而改變螺旋槳的動力方向。這就類似于我們家里的電風扇,如果將每一個扇葉的角度做一下變化,它就能夠從向前吹風變為向后吹風。不過這種螺旋槳構造復雜,由于本身過于厚重,也更容易被腐蝕,所以如果不是過分追求靈活性的船只,是不會采用這種方法的。



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