交通运输技术发展简介

前言
      随着时代的演进与改变,人们从走路,到了以牛、马代步,慢慢的有了陆运:火车、汽车……等、水运:帆船、汽船、水翼船……等、航空运输:喷气机,直升机……等、太空运输:火箭,航天飞机……等,将来还有更多的新科技运输工具即将出现。


陆路运输

      当我们步出家门,车子满街都是;摩托车、汽车、火车、轨交‥,各种的陆上交通工具,带给我们“行”的生活无比便利。然而,你有没有想过,在还没有现代交通工具的古老年代里,是怎样生活的呢?

一、陆路运输的演进

(一)轮的诞生人类运输方式的改变

      陆上交通工具的始祖是轮子,轮子可说是人类的一大杰出发明,以后所有的陆上交通工具,无论是汽车、火车等,那一样离得了轮子?
      关于轮的最早纪录,约在公元前3500年,当时的美索不达米亚地方出现了两个轮子的车辆。初期车轮技术虽然并不精美,但是给予世人一种新的流动方式,骤然间人类在地上搬运物品的本领提高了。今天,不仅交通工具离不开简单的轮子,即使是其他机械,如飞机上的螺旋桨、蒸汽机里的旋转轮、手表中的齿轮等,它们之所以能连续转动,靠的就是轮子。

轮子的演变

蒸汽机火车

(二)蒸汽机的到来一铁路运输的开始:
公元1765年,英国人瓦特发明了蒸汽机,带动工业革命的来临,使蒸汽机广泛地应用在工业的生产上。然而,瓦特的蒸汽机虽然有足够的力量推动织布机或矿区的抽水机,可是如果用来推动陆上车辆就太笨重了。
      直到公元1829年,英国人史蒂文森创制了一辆蒸汽火车,它揭开了拉车不用马的序幕,开始了铁路运输的新纪元。

      公元1825年,英国建造世界第一条铁路,采用四呎八吋半轨距,即以史蒂文森所制之蒸汽机车为动力,每小时最高行车速度十五公里。其后近百年间,铁路虽一再改良,但别无其他动力型式的动力车问世。
      直至二十世纪初期,铁路的动力来源,才有了各式各样的发明。从电力到柴电,再到结构复杂的内燃机,乃至更为先进的气垫列车磁浮车。火车的演进,随着人类科技的进步,愈来愈舒适,也愈来愈快速。

(三)内燃机的发明一汽车时代来临:

      公元1876年,德国发明家鄂图制造了世界上第一台内燃机,另一名德国人戴姆乐将它装在自行车上成了世界上第一辆摩托车。公元1886年,奔驰将内燃机第一次安装在一辆三轮车上,成了世界上第一辆汽车。只是,这辆汽车的车轮是用木料做的,外面包了一圈金属。直到1895年,人们才成功地将轮胎装到汽车上,但是当时的车造价颇高,并不适合大批生产。       美国人福特继而担起了这光荣而艰巨的使命。
      福特以生产线的概念,大量生产T型车,开启了汽车史上的新纪元,使汽车成为一种非常普通的交通工具。而他自己,也成为世界上赫赫有名的“汽车大王”。
      随着汽车的发展,也促进了公路建设。二十世纪三零年代,德国和美国进行了汽车专用高速公路的建设。同时,汽车的发展也带动了相关的石油、橡胶、玻璃、薄钢板等工业的发展,促进了汽车各零件精密加工有关技术的进步。

福特汽车
T型车
汽车生产线
现代汽车生产线

(四)今日的大众运输与轨交系统:

      陆路运输演变至今,造成汽车快速成长,使得原有的道路容量已无法适应,交通日益恶化。因此,为解决大众行的问题,良好的大众运输系统便成为各都会区努力的目标。
      “公交运输”指具有固定路线、固定车站、固定班次、固定费率与乘客,为一般大众所使用的运输系统。例如,公共汽车、轨交系统。而“轨交系统”通常系指利用地面、地下、或高架设施,不受其他干扰,使用专用动力车辆行驶于专用路线,并以密集班次,大量且快速地输送都市与邻近地区旅客的大众运输系统。

轨道交用

目前世界各都市多数采用以下五种较通用的轨交型式:

1.铁路轨交(高运量):传统式钢轮钢轨式之高运量系统。载客量每小时单方向约五万人次,城际铁路,如京津城铁即采用这种系统。

2.轻轨轨交:也是一种传统式钢轮钢轨式铁路车辆,车厢较小,载客量也较少,主要满足中运量需求,载客量每小时约二至三万人次,例如城市地铁系统。

3.胶轮轨交:与铁路轨交相似,将钢轮改为橡胶轮胎,台北捷运木栅线便使用这种系统。

4.单轨轨交:有跨坐轨道上与悬挂在轨道下两种类别,属中运量系统,主要使用于游乐场所,例如美国狄斯耐乐园便采用这种系统运输游客。

5.自动导引轨交:以自动化运转的导引式线性马达,属中运量捷运系统,如温哥华捷运系统,机场旅客运输亦常使用这种系统。

(五)磁浮列车一明日的大众运输系统 :

      随着科技的进步、生活质量提升的要求,人类不断追求更快速、更方便舒适的运输工具,陆路运输工具演变至今,已经朝向磁浮列车的方向发展了。
      德国是目前全世界磁浮列车技术发展得最成熟的国家。德国政府已于1994年正式批准汉堡到柏林间的超高速磁浮系统的兴建,其全长达285公里,最高时速450公里,预计公元2005年启用。日本政府也在规画一条与新干线平行的磁浮运输系统。此外,英国、加拿大、西班牙、苏联与中国大陆等地,亦不断跟进进行磁浮列车的研发,唯规模尚不及德国与日本。

磁浮列车原理图

      磁浮列车是依据磁铁间,同性相斥、异性相吸的上浮原理所设计的。可分为「吸引型」和 「推斥型」两种。「吸引型」磁浮列车是德国高速运输系统所采用,它是在列车约两翼上安装了一系列的电磁铁,而其两翼又伸入导轨下方。当通上电流时,电磁铁会吸引铁轨而往上提升。而「推斥型」磁浮列车,为日本磁浮列车MUJOO1所采用,主要是靠超导电磁铁,感应埋藏于U型导轨内之线圈以产生涡电流,再利用这个涡电流产生另一个磁场,且其极性会与列车上电磁铁磁场的极性方向相同。由于两个磁场互相推斥的结果,车体就悬浮起来了。两国的磁浮列车,都是用线性感应马达来推进的。

      磁浮列车不但速度快,且由于车体上浮的缘故,使摇晃与噪音被减至最低。根据其发展计划,未来人们还可以利用磁浮列车在短时间内运送大宗货物。无人驾驶的磁浮列车,可在专用的真空隧道内行驶,不必忧虑废气的排放与噪音的干扰,也不受天候影响,其可说是理想的运输系统。

水路运输

      水路运输工具的发明,使人类的视野豁然开朗,人类开始了航海时代,航海扩大了人类的活动领域和经济贸易范围。船使哥伦布发现了新大陆,使麦哲伦完成了环球航行,使人类第一次证实了地球是圆的。船成了科学技术发展的新动力,加速丰富了人们的天文、地理、动植物方面的知识。

一 、水路运输的演进

      今天,凡是有江河湖海的地方,就可以看到船只:有的如高楼般,有的像江中一叶,还有的能窜入水底潜行……。那么,人是怎样学会造船的?最早的船又是什么模样呢?船的历史演进大致可分为五个阶段:「早期船」、「帆船」、「汽船」、「近代船」及「新式船」。

(一)早 期 船:
      对远古人类而言,不要说海,就是一条小小的河川,要渡过去也不容易。或许是受到江面上漂浮物的敢示,有人便提出了能不能依靠这些漂浮物渡过江去了仗着漂浮物,有人到达彼岸了,这在古代是一件多么了不起的事啊!于是,成功鼓舞了众人,纷纷设想出种种渡水方法,这便慢慢形成了早期的船只。


独木舟的使用

中国帆船
早期帆船


现代帆船
现代帆船

(二)帆 船:
      在现代人看来,驾驶帆船只是一项刺激的水上运动,或是一种落伍的水上交通方式。可是,对古代人来说,帆却是一件了不起的发明。关于帆的发明,我们能确知最早的一艘帆船,是公元前3900多年为埃及法老王奥普斯的葬礼而建造的,而在埃及同一时代的壁画上,也看到类似的帆船。这些早期的埃及船,都是单桅的帆船,每一艘船上只张挂一面
长方形的帆。
      帆的形状至公元500年左右,出现了崭新的设计。当时的阿拉伯人发现,大幅约三角形帆比长方形帆好用:长方形帆只能在顺风时运用,三角形帆则在侧风时也能运用。他们的帆船,除了用单桅和双桅以外,也使用三桅。
帆发明以后,船只便能够借着风力航行。可是,由于风的方向和大小经常不是固定的,所以一艘帆船,往往有划桨的设备,以备在风力不足或风向不对的时候使用。等到汽船发明成功以后,这种利用自然风力航行的帆船,便渐渐被淘汰了。


(三)汽 船:
      十八世纪英国兴起工业革命后,由于蒸汽机的发明,使陆上交通迈入了新纪元。这项创举使「航业界」人士想到:是不是也能利用蒸汽机来推动船?
      终于,在十九世纪初,美国人发明了蒸汽船,且这些船的船腹两侧都装有像水车般的「明轮」(或称「外轮」。当船行驶时,是由蒸汽机上的活塞一上一下地运动,然后透过齿轮带动明轮旋转,利用明轮上许多拨水板鼓水使船前进。明轮演变到后来,出现了螺桨推进器,再慢慢改良成为现代的螺桨形状。


蒸汽轮船

(四)近代船:
      船的发展到了近代,已走向大型化和高速化,这样才能增加载运量,减少航行时间。为了配合这两项目标,人们不断改进造船用的材料和动力来源,在材料方面,铁、钢或玻璃纤维都是今日造船常用的材料;在动力方面,公元1897年,英国人巴尔逊发明了蒸汽涡轮机,公元1893年,德国人笛赛尔又发明了柴油引擎,柴油引擎是以柴油或重油做燃料来产生动力。它的优点是使用的燃料消耗率比涡轮机的小,而且引擎所占体积也小。近代的船除了体积愈来愈大,动力愈来愈强以外 ,也按各自的功能,画分出许多专业化的船 。例如 :渔船 、客轮、货轮 、军舰 、油轮 、海洋观测船、破冰船等,它们各有专门的用途,另外还有一些特殊的船只能够深入水中航行,我们称它为潜水艇。

潜艇的组成

      潜水艇之所以能同时潜浮,主要是因为它具有一个特殊的船舱可以用来调节浮力。
当舱体内充满水时,潜艇的重量超过它的浮力它就下沈;如果舱体内充满了空气,因为它受到的浮力已转成正浮力,就会使潜艇上浮。藉由此物理学原理的应用,潜水艇便可以浮在水面、下潜或停留在所要求的各种深度,然后再回到水面。
世界第一艘实用的潜水艇「海龟号」,是由美国人布什尼尔于1776年所设计,它在独立战争中是用来将炸药安置在英国船只身上。虽然它效率并不好,但是它所使用的推进机构和潜航浮升的方式,却为后来的潜水艇设计规格订定了标准。
如今人类除了在军事上使用潜水艇外,海洋学的研究、海底矿产或沈船的探勘等,都可利用小型能自由移动,且能承受极大压力的潜水器。


(五)新式船:
1.气垫船:气垫船是利用一个大风扇,把空气强烈地吹送到船体下部,以支持船的重量(图9-13)。由于空气向水面吹送,而产生向上的反作用力,使船体能离开水面航行。
这样的航行方法,能够减少水对船的阻力,而使速度大为提高。气垫船每小时可达120公里,这种船具备水陆两用特性,并可通过复杂的地形,部分国家将其设计成登陆艇。

气垫船

水翼船

2.水翼船:水翼船是在船首、船尾部分装上水翼,水翼的设计和原理与我们较熟悉的机翼相似,都是利用流体力学的原理。在船刚发动时,水翼船和普通船一样是浮在水面上滑行,等到速度加快,沉在水中的水翼便逐渐产生扬升力,把船体举出水面,以减少阻力,除可减少燃料消耗外,并可提升航速,它的最快速度可达每小时75公里。


 

 

航空运输

      想飞是人类一直梦寐以求的希望,古时候的人们以会飞的动物为蓝图,不断地研究如何才能飞上青天。
      历经长久的岁月,无数次的失败,甚至牺牲了宝贵的生命,人类终于能够一偿宿愿,甚至突破地心引力的束缚,尝试到外层空间旅行,所以有人这样说:“人类因有梦想而伟大。”。

一 、航空运输的演进

      航空运输所使用的载具,我们称之为“航空器”。航空器是经历多年的演进才发展成现在的型式,我国大约在公元前1000年发明风筝,可说是人类最早的飞行物。

飞行器分类总表

(一)热气球与飞船:
      公元1783年法国的蒙哥尔飞兄弟,利用热空气比冷空气轻的原理,发明了可乘坐人的热气球。热气球之后氢气球也被发明 ,1785年更横渡英、法之间的多佛海峡 。1852年法国的奇法特制造了蒸汽动力的飞船,是历史上首次成功的动力飞行。飞船全盛时期,在欧洲几个大城市间有定期的载客飞行,直到1937年兴登堡号飞船爆炸,才使得客运飞行停止。目前飞船内部填充的气体是氮气,提高了安全性;但是因为速度较慢,所以仅用于广告和高空摄影。而热气球则成为了一种休闲运动,另外宜兰平溪施放的天灯亦是一种热气球。


热气球

翼伞

(二)滑翔机:
      公元1863年法国的鲁布利制造了一架形状如信天翁的滑翔机,滑翔机装载在两轮的马车上,然后用马来拖曳滑翔,是世上最早的滑翔机。德国人李利埃达则总共作了2000次以上有系统的滑翔实验,最远曾达275公尺,滑翔一分钟以上。而滑翔机演变至今,成为流行的休闲运动飞行伞 。


(三)动力飞机:
      公元1903年12月17日美国的莱特兄弟驾驶「飞行家1号」,在59秒内飞行了260公尺,是人类航空史上最重要的日子 。
      “飞行家1号”因为可以任意改变方向,而且能够安全往返多次,所以被公认为世界上第一架飞机。
      第一次世界大战爆发时,因为战争的需要,飞机的发展非常地迅速。1927年美国的林白驾驶「圣路易精神号」,由纽约出发经过33小时30分钟,飞越5809公里到达法国巴黎,造成极大的轰动。


喷气客机

(四)喷 汽 机:
      第二次世界大战结束时,飞机的动力已由活塞引擎改为喷汽引擎,大大的提高飞机的速度。公元1947年美国的贝尔火箭飞机,首次完成超音速飞行。1949年英国的雪星号喷射客机首航。1961年美国制造出三倍音速的洛克希德「YF-12A」军机,更提高飞机的速度。1960年代英、法合制的「协和号」客机、苏联的「TU-144」客机和美国的「波音747」客机的问世,开敢了大量空中运输的时代。


(五)直 升 机:
      直升机是一种可以垂直起降的航空器,适合做城市间短程的空中运输,在地形复杂的地区运输物资,以及救灾任务(如消防、搜救、运送军资)。达文西除了在艺术上有崇高的地位外,而且在他的笔记中记录了许多科技的数据,其中就有关于直升机的纪录。但是中国的竹蜻蜒玩具,应该是更早的直升机构想。公元1923年西班牙的谢鲁巴所制造的旋翼直升机首航成功,1928年更成功的飞越多佛海峡。


直升飞机


               杨浦区少科站《科技好望角》编辑      2014年4月24日


 

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