电厂里多发出来的电，是存起来还是浪费掉了？背后的原理是什么？【科学火箭叔】

电厂里多发出来的电，是存起来还是浪费掉了？背后的原理是什么？【科学火箭叔】

一个电池能够做多大呢 这是一枚纽扣电池 这是一枚 5号电池 这是一枚锂电池 还有更大的吗 啊啊汽车里面的蓄电池以及大的 你可能都有点抬不动的 电动车里面的电池了 还见过更大的吗 不一定啊 要是我告诉你一个电池可以打得像一座山 你会不会很吃惊呢 实际上就这一家不是大的像座山 而是那座山本身就是一颗电池 我是火箭叔 今天我们一起来认识一下 你绝对想不到的一些电池 以及他们到底是拿来干什么的 对啊把三变成电池用来干什么呢 这个我们就要从另外一个问题说起了 那就是发电站发出来的 没有用完的电视被储存了起来 还是被浪费掉了呢 其实都不算啊 正确的答案是罚多少 用多少 因为在电网当中 发电与供电是同步进行的 这科学吗 我们来看看啊 一方面 发电端很多时候都是在看天吃饭 除了烧煤炭的热电站 可以比较容易的根据需求来选择烧还是不烧 少烧还是多烧以外 水电站的风水期和枯水期 太阳能电站的白天和黑夜 晴天还是雨天 风力电站的刮大风还是刮小风 全都由不得人去使唤 这就造成了有的时候发电量天然就会多一些 而有的时候则会少一些 但另一方面啊 并不意味着你发电量多的时候 用电量就跟着躲起来啊 而发电量少的时候 恰恰也有可能碰上一个高温天 用电量一下子就飙上去了 怎么办呢 目前的电网啊 只能靠预先规划和动态调节来对两端做出平衡 这就是电力调度在做的事情了 可以看得出来他们的工作量是相当可观的 但即便如此呢 随产随销还是要付出巨大代价的 那就是要么大量能够被用来生产电能的 其他能源被白白浪费掉了 要么生产出来的大量多余的电能无处可去 只能被所谓的备用负荷 也就是专门用来打酱油的用电设备白白消耗掉 多么可惜啊 为什么就不能把他们给储存起来 留到药用的时候再拿出来呢 难道储存电站中多发出来的电就真那么难吗 没错还真的不容易 主要是他们的规模实在是太大了 比方说锂电池真的很好用 当然要用它来储存电站里面发出来的电 先不说技术上有多麻烦 单说要用掉多少块吧 从经济上和环保上来讲 都不是一个理智的选择 那还有别的选择吗 其实啊一直以来都是有的 比方说抽水蓄能电站 它就是将水电站的过程给反过来用电 将低处的水抽到高处 以重力势智能的形式先储存在那儿 等到要用的时候呢 再让它重新流回低处 推动发电机 将重力势能再次变为电能 唉其实跟电池的原理是一模一样的 只不过我们通常理解中的电池 是将电能转化为化学能储存起来而已 并且呢也没有那么大大有错吗 难道用重力来储存电能就不能叫做电池吗 没有这个道理吗 要是继续沿着这条能量之间转化的思路 往前走的话 其实我们还可以找到更多类似的储能方案 光是用重力就有好几种 除此之外呢还有靠压缩空气来储能的 靠飞轮来储能的等等 下面我们就分别来看看 先说用的最多的抽水蓄能 他最早于 19 世纪 90年代 就在意大利和瑞士得到了应用 迄今为止已经有 100 多年的历史了 抽水蓄能电站是当前唯一能够大规模解决电力 风骨困难的一个途径 但为什么还是显得杯水车薪呢 因为尽管它有技术上成熟可靠 容量也可以做得很大的 优点和缺点也相当明显啊 首先是建造受地理条件的限制 必须有合适的高低两个水库 另外呢在抽水和发电两个过程中 都有相当数量的能量被损耗 储存效率只有大约 60%到70 左右 非常不划算 还有一个缺点也跟地理条件有关 它一般都远离符合中心 不但有输电损耗 而且当系统出现重大事故而不能工作时 它也将失去作用 你只要想想 要是手机电池不长在手机上 而是连在电线上 涂在其他地方难受吗 当然用重力来储能 可不止抽水蓄能电站一种啊 还有更直接的 有一个想法是直接在地底下挖一条垂直的深坑 不过为了降低成本呢 通常是去找那些现成的被废弃了的矿井 然后挂上高达几千吨的负重锤 到井底 需要储存电能的时候 就用电机把它拉到地面上来 需要释放电能的时候呢 就让它往下落 把发电机给带动起来 显然坑挖得越深 挂的负重越重 这枚电池的容量也就越大 它的优势应该是受地理条件的限制 没有那么多 即便是在城市里面也能够办到 只不过现在还在技术验证的阶段 还有一种利用重力的方案叫做轨道电池 这个比较形象 说白了就是把一列能够沿着轨道爬上山坡 的列车当成是因为移动的电池列车向上爬 就是在充电 让它滑下来 就是在放电 原理什么的都是一模一样的 不过我觉得这是最有趣的一个 尤其到它甚至可以作为一个游乐项目 游客买票上车为发电做出贡献 这才叫真正的用爱发电嘛 好了我们再说说别的类型啊 压缩空气储能就是利用多出来的电 把攻击压入地底深处的天然岩洞里面 或者是山洞里面 等需要用电的时候呢 再将它们释放出来 推动发电机发电 说白了就是把山洞当个天然的高压气瓶 原理上也很简单啊 成本似乎也不高 可能难度最大的 也就是要找到这些合适的地方了 算是有点碰运气的成分吧 而且不光是运气会出来为难你 这个时候 热力学第一定律也显得不那么友好的跑出来了 因为空气压缩的时候会放热 而空气减压的时候又会吸热 要是你在一开始压缩空气的时候 没有把它释放出来的热点一并储存起来的话 那么在想要把它放出来 重新变回到电的时候 就要额外找点办法帮他加热了 这在早期确实是个麻烦 人们找不到储存热量的好方法 只好任由它散掉 然后在释放的时候必须烧天然气来重新加热 以免冻坏发电机 这一来一去啊 能量损耗相当严重 这又成为限制压缩空气储能的一道坎儿 好在最近十几年来 随着技术进步 热量能够被有效的保存和再利用了 这道坎儿也消失了 压缩空气储能 看起来也就成为了一个具有希望的方向 下一个很有希望的方案是飞轮储能了 当然也可以叫做飞轮电池 它靠飞轮的加速和减速实现充电和放电 飞轮电池中有一个内置的电机 它既是电动机呢 也是发电机在储存电能池 它作为电动机给飞轮加速 当需要电能时 它又作为发电机给外设供电 此时飞轮的转速不断下降 而当飞轮空闲运转时 整个装置则以最小的损耗运行 飞轮电池的优点是灵活性很高 飞轮机组可以制成单元形 根据需要组合成更大功率的装置 并安装在复合附近 这样既可以跟根据需求逐步扩展 又可以避免输电损失 但它也不是没有缺点啊 因为为了减少充放电过程中的能量损耗 主要是摩擦力的损耗 电机和飞轮都必须使用磁轴承 并悬浮在真空容器当中 这样才能够称其他高达 90%以上的能量 储存效率 付出的代价嘛 就是高昂的制造成本了 所以飞轮储能这块呢 未来的主要方向 除了继续研发 能够提高能量密度的复合材料技术 和超导磁悬浮技术以外呢 就是在降低成本方面着力了 好了 我们已经说了好几种主流的储能方案了 抽水储能 深坑拉铁轨道电池 压缩空气 还有飞轮电池 你也知道了他们的优缺点 当然除了这些呢 也还有别的 只不过相比起来呢 他们跟现实离得更远罢了 也许你会说啊 你看今天我们只是依靠电力调度 不是已经把发电和用电协调的很好了吗 似乎也没有必要去发展这些巨无霸的电池啊 是的呀 这在以前 当我们更多依赖传统能源来发电的时候 问题还不大 但未来的趋势肯定是使用清洁的新能源 太阳能 风能 地热能 海洋能等等 如果没有与之匹配的储能技术 就意味着我们实际上是无法有效利用它们的 所以看起来一颗电池的大小 还真的是有可能远超你的想象哦 我是火箭速关注我 一刻不停带你涨知识 这是一盒柯达胶卷 嘿已经很有年头了啊 如果你也知道柯达胶卷的话 请在弹幕里面打上一 但其实啊柯达也会生产镜头和相机 如果这个你也知道的话 请在弹幕里面打上二 然后呢 他居然还生产了一面哈勃太空望远镜 上面的主反光镜 如果连这个你也知道的话 请在弹幕里面打上三 不过很可惜啊 这面镜子呢从来就没有上过太空 他目前被陈列在华盛顿的国家航空 航天博物馆里面 被哈勃带上天的 是由另一家光学大厂铂金埃尔默所生产的镜子 但讽刺的是 那面镜子有瑕疵 而留下来的科大镜子呢却相当完美 诶 为什么 nasa 会把一枚有瑕疵的镜子 发射到太空当中呢 如此低级的失误究竟是怎么发生的呢 是百科全书火箭术 今天我们就来讲讲这背后的故事 时间回到1970年 由于此前轨道天文台计划的成功 nasa 受到了极大的鼓舞 别人开始正式启动太空望远镜的项目了 到了 1977年 在经历了诸多波折之后呢 他终于获得了建造太空望远镜所需要的资金 一共大约是差不多 3亿美元 预计周期 6年左右 同时这台太空战机呢也有了自己的名字 哈勃一纪念 发现了宇宙膨胀的天文学家埃德温 哈勃好了 有了资金之后呢 生产就可以开始了 作为整台望远镜的核心啊 主反光镜的制造显得尤为重要 它起到的作用是汇聚光线唉 将从镜头收集到的光线 反射到一面较小的反光镜上 后者呢 再将光线进一步反射到哈勃的各种成像仪器上 之所以要反射两次呢 是为了在尽可能短的镜头里面 装下尽可能长的焦距 为了将撞击到主反光镜上 任何部分的光线都完美地汇聚在一个点上 它就需要被抛光成一个精度 达到10nm 的曲面才行 而主反光镜的直径是 2.5米 2500万倍于抛光精度 难度可想而知啊 哎接下这个重任的就是铂金埃尔默了 这家公司在业界是怎样一个地位呢 大家可以自己去查查 总之他肯定是 nasa 的最佳选择 为了不让 nasa 失望 铂金二莫也放出了自己的大绝招 用特殊定制的计算机来自动化的抛光镜面 这在现在不算什么 但在当时绝对是一个超级前沿的科技了 而且也是看起来最有希望 达到10nm 精度的工艺了 但为了保险起见啊 nasa 同时也要求他们必须将一部分的生产 转包出去 制造一枚备用的主板供电出来 大家猜猜他转包给了谁 唉就是科打了 因为柯达在生产相机设备和光学镜头方面呢 已经积累了相当好的口碑 它将会采用手工打磨的方式来制造 这枚哈勃的大镜子 于是 1979年主反光镜的生产呢 在两家公司同步开始了 当时柯达建议啊 咱们应该交叉检查对方所生产出来的镜子 以便确保万无一失 但铂金二墨显然不认同啊 在他眼里面 柯达大概就是一个打酱油的备份存在 要不是 nasa 坚持有你们什么事呢 其实啊你只要做做样子就可以了吗 还交叉检查 我这可是可是计算机磨出来的 你们这些做手工的看得懂吗 啊对不起啊 稀有点过了 不过呢我猜大概就是这个意思 所以后来交叉检查自然是没有发生的 到了 1981年底 在艰难的打磨了快 2年之后呢 不见二墨 终于将一整块超低膨胀的玻璃 变成了一面下凹的跑五金了 在清洗和镀上一层高反射率的铝膜之后呢 见面主镜就正式宣布完成了 不过在把它真正装上哈佛之前呢 他还需要通过一系列非常严格的测试才行啊 哎主要包括两个方面啊 一个是看它对环境的耐受程度如何 毕竟火箭发射时的振动和太空中的恶劣环境 都是对他不小的考验啊 这个呢没有什么好说的 肯定是顺利通过了 另一个呢是看看它的研磨精度 是否能够达到设计的要求 这个稍微复杂一些 于是科学家就用到了一个叫做零相差 矫正器的设备 来帮助他们对镜片进行检查 这个东西本身也是有镜子组成的 它高大约 76cm 直径大约 50cm 上下各有一面中间开孔的凹面镜 然后呢在光线出具的地方还带有一片场透镜 理论上 当把它放置在哈勃主镜上方 11米的地方 打入一束激光之后呢 会在镜面上生成一片平直的波正面条纹 哎这就说明镜面的打磨是没有问题的 而如果出现的是扭曲的条纹的话 这说明镜面是有问题的 测试的结果呢唉很完美啊 简直一如薄金按摩的预期啊 于是柯达的镜子 真的就成为了一个多余的摆设了 连测试都不用了 直接拉到仓库里面 后来发生的事情呢我们都已经很清楚了 1990年 阿波上天拍出了令人震撼的模糊照片 一时间世界哗然 nasa 绝丧到了极点 在仔细研究之后呢 他们发现他们犯了一个极其完美的错误 还记得我们刚才讲到的那个零相差矫正器吗 它里面呢是不是也装着几面镜子啊 原来工程师在安装其中一面反光镜的时候 总歪了一点点 结果就正好完美的矫正了 哈勃主镜上出现的误差 把原本应该是扭曲的纹路给拉值了 天哪 所谓无巧不成熟 这大概就是最完美的诠释了吧 更悲催的是啊 大家这个时候终于想到了哎 仓库里面还放着那面科大的镜子啊 于是战战兢兢的拉出来一检测呢 他自然才是真的完美的 这脸打的呀 即便已经过了差不多 30年呢 我仿佛还是能够听到啪啪啪啪的声音 可惜啊已经太晚了 在轨更换主反光镜是不现实的 唯一能做的就是把这些测试时犯下的完美错误 复制到太空中去 在又拖了 2年多 花了数亿美元之后呢 戴上矫正镜的哈勃终于可以正常工作了 30年过去啊 他取得的无数成就已经让人渐渐淡忘了 当初那段差一点就把他拖入了深渊的插曲了 但是我觉得就是全世界都选择遗忘诶 柯达呢是肯定不会忘记的 如果时光逆转 伯金二莫同意了柯达的交叉检查建议 哈勃也用上了柯达的镜子的话 他现在会不会依然辉煌呢 我是火箭叔 关注我 把不一样的科学故事讲给你听 你很难想象啊 雷达这个人畜无害的防御装备 一开始却是被当成致命武器来研发的 1935年 英国政府委托物理学家罗伯特瓦特研究 无线电波 希望用它来摧毁德国的飞机 但很快这位科学家就得出了结论啊 无线电波同致命射线之间的差别 就如同弹弓同导弹之间的差别一样 大 飞机看来是打不下来了 但好像也并非全无军事价值 就在这项研究刚刚开始的几周之内呢 瓦特就发现 通过测量从机身弹回来的无线电回声 延迟的长短 就可以得知飞机的飞行方向和距离了 于是啊从此就开启了雷达的职业生涯 这让我不免想到一个问题啊 我们不是一直都在说 是蝙蝠启发了人类发明雷达的吗 看起来它又是另外一个 你千万别太当真的励志故事而已 我是人称百科全书的火箭叔 今天我们就来聊一聊雷达当中的神器 相控阵雷达究竟是如何工作的 它能够强大到探测出像 f35 歼二零十五期这类先进的第五代隐形战斗机吗 好千里之行始于足下 我们先来看看雷达最基本的工作原理 其实它在很多方面都是挺像我们的眼睛的 首先目的相同 都是为了看见目标 只不过呢一个靠的是可见光 另一个靠的是无线电波 其次啊 想要看到不同方向的目标都是需要转头的 这就解释了 为什么很多传统的雷达都是始终在不停的旋转 然后想要更清楚的观察目标的话 就需要收窄视角 我们可以借助望远镜 而雷达可以增大天线面积 天线越大 波数越窄 判断的精度也就越高 但问题也就产生了 大天线 它转不快啊 扫一圈回来呢 目标可能已经飞跑了 这就尴尬了 怎么办 相控阵雷达就是来解决这个问题的 怎么个解决法呢 靠电磁波的干涉现象 在相控阵雷达的天线平面上 规则地排列着很多微小的单元 他们有点像是昆虫的复眼 每一个都可以单独的发射和接收电磁波 当这些独立的单元发出的正弦波 同时向外传播时 它们之间就会发生建设性干涉和破坏性干涉 使之加强或者减弱 就像两个完全同步的水波一样 当碰在一起之后呢 垂直于它们中心连线方向上的波纹得到强化 而其他方向上的波纹则逐渐消失了 好这是两个不完全同步的情况 要是他们不完全同步呢 要是第二个比第一个稍微慢了一点点呢 这个称之为相位移动向移 那以此类推下去 第三个又比第二个再慢一点点 第四个又慢一点 第五第六第 n 个都是这个规律 会发生什么样的情况呢 实际上我们就可以用计算机来控制 每一个单元所发出来的电磁波的相位差 实现在它们相互干涉之后 朝着我们想要去的方向传播了 这便是相控阵雷达的工作原理了 完全不同于传统雷达的机械扫描 它靠的是相位移动的电扫描速度 差别是以数量级来算的 而且更加灵活 能够跟踪更多的目标 拥有更强大的抗干扰性 以及更能够发现隐形的目标 对了这隐形飞机雷达是怎么把它探测到的呢 我们就来简单的介绍一下啊 说是引擎呢 其实并不完全意味着看不到 只是跟普通飞机比起来呢 雷达截面更小而已 他们通常靠两方面来实现的 一个就是调整外观偏转雷达波 使其不会按照原路反射回去 锐利的边缘和多棱角的结构都有明显的好处 这点看看 f117 就知道了 第二个呢就是使用特殊的涂层 将照射到身上的雷达波吸收掉 至于到底是怎样的图层呢 那都是军事机密 我们就只能猜一猜了 据说里面是包含了碳纤维 甚至是碳纳米管的增强塑料以及细颗粒的铁粉 用来将吸收的电磁波转化为热能 但这些图层的缺点是 它们并不能吸收全部的雷达波 因为图层的厚度正比于它吸收波长的能力 图层越厚越能吸收波长更长的电磁波 图层越薄 就吸收不了长波 而战斗机的涂层能有多厚呢 所以雷达的机会就来了 发射低频长波 就能够在远距离上探测到隐形飞机了 为什么相控阵雷达在这方面更强呢 因为想要发射低频长波 必须要天线够大 你看这不正好就是相控阵雷达的天然优势吗 所以雷达和隐形啊 就像是矛和盾的故事一样 大家都在彼此的升级 也在彼此的制衡 我在以前上中学的时候呢 喜欢看各种各样的军事杂志 还对美国有宙斯盾和 f22 羡慕的咬牙切齿 如今我们也有自己的平面阵雷达和歼二零了 着实为我热爱的祖国感到骄傲 我是火箭叔 关注把有趣的科学故事讲给你听 当年特斯拉在同爱迪生的交织相争中一战成名 这不仅帮爱迪生背上了恶名 还让我们一直到了今天 家人们都还在使用交流电 所以交流电啊 就是电流的方向始终都在发生着变化 比如我们国内使用的是 频率为 50hz 的交流电 意味着电流的方向每秒钟需要变成 100 次 这就让我有些不解了 你说早在特斯拉赢下交流电的 19 世纪末 那个时候家里面的用电负荷无非就是白炽灯泡 它无非就是直接把电转化为热 然后热到一定的境界就开始发光了 所以电流变来变去也无所谓了 就像你烧一根木头 是从左边烧还是从右边上有什么影响呢 但到了今天 我们家里面的用电负荷已经变成了电脑 电视 手机音响 甚至连照明都是基于半导体的 l e d 了 这些东西啊其实都是使用直流供电的 于是再把他们接上咱们家里面的电源插座 之前呢 还需要先将交流电转变为直流电才行 有注意到我提到的这些电器 几乎都带有一个比较大的插头吗 有注意到这些插头总是很热吗 哎这就是交流转直流所需要付出的代价了 更大的体积和白白浪费掉的电费 所以啊这就让我想到 为什么家里面就不能直接用直流来供电呢 我是人称百科全书的火箭书 今天我们就试着来探讨一下这个问题 内容上大概会分成以下几个部分 第一 为什么当年特斯拉的交流电 会胜过爱迪生的直流电 它有什么样的无可比拟的优势 第二呢到了今天 交流电的优势还存在吗 它的劣势又是什么呢 第三直流电有可能会在将来全面取代交流电吗 为什么好 现在我们就开始了啊 回到19 世纪末 交流电之所以会生出 其实原因很简单 那就是它可以非常方便的变换电压 变换电压有多重要呢 太重要了 因为它关乎到电厂发出来的电 能否远距离的传输 尽管我们都很喜欢电 但谁都不喜欢 电厂就在家旁边 要想把电厂搬圆 就得要加上足够长的输电线 而我们知道只要是导体就一定会有电阻 只要是电阻呢就一定会产生损耗 损耗是多少呢 这个公式可以告诉我们 p 等于 i 平方乘以二 这里的 p 呢是线路损耗的功率 i 是流过电线的电流 二是这段电线的电阻大小 你看出来了吧 尽管随着电线越来越长 电阻在不可避免的越来越大 我们还是能够通过减小电流 来对损失的功率作出控制 尤其是它还是个平方 而如何来减小这段电线里面的电流呢 那就是提高输入进去的电压了 公司在这 p 总等于 u 乘以i 输电线的总功率等于电压乘以电流 在输入功率不变的情况下 自然是电压越高 电流也就越 所以当年由于做不到生压 爱迪生只能把自己发出来的 110伏直流电 输送到离他不到1.5km 远的用户的家里面 要是想要再远啊 这些电光是在路上的损失就超过一半了 还让人怎么用呢 而且啊损失的能量都会以热的形式释放出来 电线自己就把自己给熔断了 比如这些非常形象的实验 而特斯拉的交流电就完全不一样了啊 它的电压可是想升多高就升多高啊 凭什么交流电可以直流电就不可以了呢 那得要看变压器的工作原理有两个 首先是电流的磁效应 交变的电流产生变化的电磁场 其次是电磁感应原理变化的电磁场 产生变化的电动势 前后都脱不开一个字变化 所以变压器注定就是一个属于交流电的产物 凭借它把电压升到数 100000伏的水平 就能够轻轻松松传个成百上千公了 把偏远电站所生产出来的电数 送到人口稠密的城市 供你我使用了 不过成也萧何 败也萧何 变化的交流电 虽然方便它能够利用电磁感应来随意变压 但也需要为这样的电磁感应而交费 因为线路与线路之间 线路与大地之间 都会因为电磁感应而产生电感与电 从而产生感抗和容抗 这部分的阻抗呢 其实会消耗掉很输电线上的功率的 极其的不划算 而我们又极其的无奈 所以就只能把它们起名为无功损耗了 而直流电由于没有交变电场 所以就不会有无功损耗 所以优势也就体现出来了 但优势就仅止于此吗 当然不是 随着 20 世纪 50年代后电力电子技术的发展 直流输电的很多优势都凸显了出来 比如系统稳定性更强 线路造价更低 适应范围更广等等 我们来简单介绍一下啊 交流电力系统之间想要联网 必须要做到严格同步 因为交变电流是个基于时间变化的函数 它的频率相位等关键指标都跟时间有关 如果两个交流系统在联网的时候 稍微有点错开的话 就很有可能导致两个系统都发生崩溃 而停电 直流系统就稳定多了 可以实现非同步联网 俗称背靠背联网 再看线路造假 由于交流输电通常需要采用三根导线 而直流输电最多只需要两根 所以在材料成本上呢就已经省下不少了 再加上直流输电不需要像交流输电那样 为了避免电磁感应而把自己架得那么高分的 那么开 投资建设和运行费用都降下来了 而且还很适合被埋进拥挤的城市 地下和输不起电线杆的海底 与此同时呢 当年击败爱迪生的直流电难以升降压的问题 如今也可以方便地解决了 在送电端啊 我们先是把交流电升到一个超高的压力 然后使用整流器把它转变为直流电 等输送到用电端后 再用一个逆变器又把它给变回交流电 然后降压使用 虽然有点麻烦 虽然转化的过程中还是有所损失 虽然像这样的换流站成本真的很高 但如果你想把上千万千瓦的电力 输送到几千公以外的地方的话 特高压直流输电仍然是不二的选择 猜猜当今世界上 掌握了该领域最领先技术的是哪个国家 中国西电东送 世界首个 1100千伏的直流输电线 就架设在新疆昌吉和安徽股权之间 成为闪耀世界的电力高铁好了 我们的基本问题应该都得到解决了 出了一个 既然如今我们那么多的电子设备 都在使用直流电 那么未来有可能或者说有必要直接直流入户吗 关于这一点我就教给大家来讨论啊 我是火箭术 一定要关注我啊 把你的想法和建议都留言来告诉我吧 最近十几年 中国建了好多座了不起的跨海大桥 比如港珠澳大桥 杭州湾大桥 东海大桥等等 在感叹他们的壮观之余 也不禁让我很好奇 这立在海里面的桥墩到底是怎么建出来的呢 地面上的桥墩 相信很多人都围观过他们的建造过程 当年南京大搞地铁建设的时候呢 我就秉着吃灰不忘好奇心的精神 仔仔细细的看过高架桥墩的施工过程 基本上就是先挖一个坑 浇筑出一个笨重的混凝土地基 然后用钢筋在上面编出桥墩的骨架 接着再把模具一片片的拼到骨架外面 最后再把混凝土往里面一倒 凝固之后大功告成 但在水里面能这样操作吗 我是火箭叔 今天我们就来了解一下如何在水里面修桥墩 基本上有下面四种方法 围堰城乡打桩和钻孔 我们一个个的来说 先收围堰 既然在水里 时空堪比太空 那何不把它变成一片净空呢 当年摩西徒手就能在大海中央辟出一片陆地 我们有了现代设备的加持 还不是分分钟的事吗 于是将我们需要施工的区域线围起来 然后把其中的水给抽出去 让这里干干爽爽的 不管是机械还是人员 都可以大展拳脚 这就是围堰了 而且在大多数情况下 使用最简单的土坝 就可以创造出这片水中的净土了 只不过由于土壤是会透水的 所以抽水泵必须要始终保持作业 否则第二天眼睛一睁诶 我的挖掘机去哪儿了 当然土吧 还有一个缺点就是不太结实 毕竟你没有办法在水面上将它们压紧夯实 这就限制了它的使用范围 在另外一些情况下 工程师会使用钢板桩来围堰 这些彼此相扣的钢板 会被一个个的垂进水底的泥潭里面 等围成封闭的一圈之后呢 再将其中的水抽干净 形成一个我们熟悉的干燥的工作面 第二种办法是使用沉香 我们现在通常用的都是上下开口的开放式沉箱 过去还有一种叫做气压式沉箱的 一会儿我会说到开放式沉箱 看起来就像是一个中间分了很多格子 上下开口的巨大立方体 在地面上建好后 使用一个跟古埃及人运石头盖金字塔 如出一辙的方式 把它们转移到专用的博船上 驳船开到合适的位置 卸下沉香 让他下沉 沉香一边下沉啊 我们一边在里面用青鱼装置 把底下的泥沙给挖出来 使城乡的底部一路下探到坚固的岩层 然后就可以灌上混凝土 将它变成结实的桥墩底座了 现在这个过程当然都是由机械来完成的 不需要我们亲自跑到里面去挖土 所以你可以看到城墙里面 其实始终都是灌满水的 唉你可不用担心混凝土在水里面没法固化 实际上混凝土的固化本身就是需要水的 这个过程靠的不是干燥 也不是蒸发 而是一个称之为水合作用的化学过程 那气压式沉香又是什么呢 跟现在不一样 以前的人们是必须要到城乡下面 拿着铲子去挖土的 所以就要把里面的水给排掉 怎么排呢 用气压来排 气压式沉箱底部开口上方密封 就像是你把一个空杯子倒扣在水里面一样 里面的空气会把水给排开 形成一个可以供人呼吸的空间 但这也带来了一个巨大的问题啊 就是由于水压很大 所以成像里面的气压也很大 甚至大大大超过了正常的气压 这就让里面工作的工人从城乡出来之后呢 经常莫名其妙的浑身疼痛和头晕 有些甚至因此而上升 著名的布鲁克林大桥就是这样建造出来的 现在我们知道了 这叫做减压病 跟很多潜水员患上的病是一样的 所以这种炒不人道的方式肯定已经不复存在了 好了 下一个方法打桩 你应该一点都不陌生 谁家附近没有过几个建筑工地呢 其实在水里面打桩跟在地面上区别不大 至少在我们外行人眼里面看起来是这样的 无外乎就是把打桩机装到船上 然后浮到水面上罢了 但有一点区别 但在水里面的装基本上都是鞋装 它并不是垂直于水平面的 因为这样能够增加它对水流冲击力的承受度 使整体的强度得到提升 哎你可能还会想到一个问题啊 要是我们的桥正好盖在水底 全是岩石的地方 该怎么办呢 这桩也能打得进去吗 打不进去 所以就得要用钻孔了 先将一根直径巨大的套筒插到水底 然后开动钻机往岩石深处转上足够的距离 再把加固用的钢筋插到里面 最后灌上混凝土 就可以建造出强度极高的桥梁根基了 好了 以上就是四种基本的在水里面造桥墩的方法了 虽然你可能一辈子也用不上这些知识 但至少在下次乘车经过一座大桥时 可以把感叹抒发的更为深刻一些 我是火箭术 关注我 让你爱上科学 谁是当今汽车界的扛把子呢 我觉得是成龙在一个好人 电影里面开过的矿山卡车了 当时就把我给震惊了 这家伙简直刀枪不入 无坚不摧 剑强拆强建车 练车世界在他眼里面就跟个玩具似的 哎这多少有点戏剧化的成分在里面吧 我一开始呢还有点不敢相信啊 直到有一次去参观三峡大坝 亲眼见到了一辆作为展示的 曾经参与过三峡工程的矿山卡车 之后呢 站在那个连轮毂我都够不到的大轮子下面时 才意识到我的无知与渺小 如果这个东西还不能证明人类的力量的话 还有什么可以呢 哎不过在感慨的同时啊 无数的疑问也迸发了出来 比如这个庞然大物是怎么驱动的 是怎么运输的 是怎么生产的等等等等 哎如果你也跟我一样好奇的话 今天就来对地方了 我是百科全书火箭书 在经过仔细的调研之后呢 今天我终于可以讲给你听了 先把几个我认为最有意思的点抛给你 咱们再展开 第一个是可能跟很多人想的不一样 其实大多数的矿山卡车是个电动车 第二个是矿山卡车 其实在出厂的时候只是个半成品 真正把它生产出来的是矿山的工地 第三个就更绝了 矿山卡车最偏爱的居然是女司机黑 为什么呢 下面我们就一个个来讲 先说电驱动啊 拿这辆利波海尔t 284 举例 虽然它不是世界上载重量最大的矿山卡车 但怎么也能挤进前五个 它宽 9.68米 高 8.3米 长 15.7米 一共装着六个直径达到4米的轮子 每个的重量呢都超过了 5吨 整车加起来更是重达 237吨 作为对比啊 我国最先进的九九a 主战坦克 也不过就中 50 多吨而已 当然它的载重也不得了啊 达到了 363吨 也就是如果可以的话 它是能够把七辆九九a 叠起来 以最高 64km 每小时速度轻松运走的 所以这么看起来 他一定要有一颗超级强悍的心脏才行啊 哎没错 装在这个怪物核心的 是一台排量 90l 的 v20 柴油发动机了 加一次油就要干掉 5351l 不过只能供他连续开上十几个小时而已 足够强悍了吧 诶等等 咱们不是说好了 他是电驱动吗 诶怎么柴油机都出来了呢 唉柴油机出来并不影响它的电驱动 因为电驱动中的电的来源 就是由柴油机带动的发电机 它其实是一个柴油电传动的系统 简单讲就是一个先发电再用电的过程 由柴油机带动发电机发电 电力在传输给车轮处的电动机 由电动机来带动车轮转动 听起来是不是有点多此一举的感觉啊 明明柴油机输出的就是动能了 为什么还要把动能转化为电能 再将电能又转换为动能呢 这两次转换之间不是会带来能量的白白损失吗 的确啊 损失是有的 但是对矿山卡车这种超大型的设备来讲呢 柴油电传动的方式相比起传统的机械传动方式 却有着十分重要的优势 当我们把这两种传动方式的示意图放在一起 对比时 就能明显的看得出来啊 电传动系统的复杂程度低了很多 它不需要离合器 不需要变速箱 不需要传动轴 也不需要差速器 因此可以把更多的空间以及重量留给矿山卡车 需要拉的货了 使发动机的利用率得到提高 同时呢系统的简化 也就意味着在矿山等恶劣使用环境下 故障率和维修成本都降低了 第三个是啊 电动机在低速载重牵引时会有更大的力量 并且在需要刹车时 还可以反向驱动来达到减速的目的 大大减少了刹车片的机械磨损 同样也是省了钱呀 诶当然你说愿意去挑战难度钱包的有吗 也有的 比如说卡特比勒 它就是机械传动式矿山卡车的典型代表 性能也是相当的优异啊 只是制造难度大点 保养成本高一点罢了 具体怎么选呢 还是看个人的喜好吧 哦对了 前提是你的口袋里面要有 500万美元才行哦 另外呢还得要准备好运输的开销才行 这么大的东西 是根本不可能开到任何正常道路上的 哪怕别的车给他让一让 宽度够他走了 但是它 300吨的重量落在六个轮子 那一点点的接地面积上 又有哪条路真的能修得那么结实呢 所以啊虽然他自己就是一辆运输车 但是当他要去执行运输任务时 是首先要被别的运输车给运输过去的 而且呢还是拆开来运输的 或者更直接点讲 就是他在出场的时候只是个半成品 你买回去之后呢 需要对着说明书 用吊车把它给拼装起来的 拿卡特彼勒 797 距离啊 通常情况下 它都是被分成七个部分运输到目的地的车架 装一辆驾驶平台 装一辆柴油机 装一辆那个巨大的翻斗 再装一辆哎 既麻烦又花钱 要当他的车主啊 你不仅要有钱 还得要有足够的耐心才行啊 在这个世界上 只有一家公司敢提供 one piece 也就是整体运输的服务 它叫做马姆特 是一家荷兰的大件运输公司 所以拥有非常丰富的运载平台 但是为了运输 单个重量就达到300吨的矿山卡车时 它也是使出了吃奶的劲儿的 将两辆长 32米 以各带 22 根可以独立转向的轴 每根轴上又穿着两个轮胎的投射 并联在一起才能够完成任务 大家可以帮我算一算啊 这下面一共装了多少个轮胎呢 所以如此大费周折 采矿公司当然是希望它的保养周期越长越好啦 哎正常情况下呢 每 5000 个工作小时 差不多就是每 5年他就需要回到车间 被重新拆成零件 彻底的维修 但这个时间呢也并不是个定数啊 因为它毕竟是机器嘛 跟你怎么用是息息相关的 爱惜一点可能用上 6000 个小时 暴力一点可能连 4000 个小时都不到 要你会怎么选呢 所以啊 这就是为什么很多的公司都更青睐于 找女司机来驾驶矿山卡车的原因了 至少国外的情况是这样的 我看了很多视频都不是女司机在驾驶的 可能他们会觉得女司机的操作会更温柔一些吧 但国内的情况嘛我就不太清楚了 如果有了解的朋友也可以分享给我们听听哦 好了 这就是本期的内容 欢迎大家留言来帮我补充 我是火箭鼠 关注我 把不一样的科学知识讲给你听 今天我们来玩沙子 这是一个船锚 这是另外一个船锚 准确点说呢 这是一个有感毛 这是一个无感毛 起到的作用 都是在停船的时候 让船不会随意移动 那么如果在航行时遇到突发情况 比如快要撞案 搁浅时 能不能通过抛锚来紧急杀一把船呢 虽然超级战舰告诉我们 可以 但你千万不要当真 事实情况是不行 为什么呢 我是百科全书火箭书 今天呢我专门用三d 打印做了一个船锚的模型 然后通过实验来讲讲船锚到底是怎么工作的 以及为什么它就是不能用来紧急杀船 先来说船锚啊 早期的船锚基本上都是这种有感冒 为什么它叫做有感毛呢 因为在锚杆快要接近毛环的顶部呢 还含着一根横杆 从而构成这样一个家喻户晓的船锚图案 但它实际上是有很大的误导性的 要是光看图的话 我们会很容易以为很感 与毛笔是在同一个平面上的 但实际上呢他们之间的关系是这样的 相互垂直 之所以要相互垂直啊 目的是为了让船锚在触底时 毛笔能够跟随地保持垂直关系 这样就能在锚链拉着船锚横向运动时 把毛爪很自然地离到水底的泥沙里面去了 后来发展出了这种无感毛 他没有很感 沉到水里后 就直接这样平躺了下来 哎那他怎么把自己的毛爪离到沙子里面去呢 哎你肯定注意到了啊 无感毛的毛笔和毛杆是活动的 它们之间可以自由地转动一定的角度 当两者都躺平在水底后 如果受到横向的拉动 锚杆就会牵着毛笔一起移动 但由于毛爪绳在前方 它自然就具有下垂的倾向 再加上水底泥沙与其他凸起物对其的阻挡作用 就只能逼着他顺势开始往下挖了 从而形成一个稳定的锚固点 那既然是这样 为什么就不能用它来杀船呢 即使不能完全刹住啊 但拖着泥沙一起跑 总能提供很大的阻力 为停船起到一定的作用吧 实际上呢还真是不行啊 你有没有注意到 我刚才两次都重点说到了横向运动 船锚必须要离进土里面才能提供阻力 而离进土里面的条件就是躺平了 横向移动 如果开船时把船锚抛进水里 锚链基本上跟水是呈 90度的 这个时候船锚根本就不会离进水底的泥沙当中 怎么可能提供阻力呢 只会一蹦一跳地跟着船一起跑 所以啊想要杀船 还是得老老实实的用别的办法 想知道吗 看看这个视频就可以了 所以回到船锚固定船只的问题上 看起来锚链也是相当重要的 不是相当重要 而是至关重要 甚至比起船锚还要来得更加重要 除了能够拉动船锚 它还有另外两个功效 一个是平躺在水底的那一段提供的摩擦力 另一个是悬在水中的那一段提供的下拉力 下面我们就来仔细讲讲 假设一艘船需要停在水深 1百米的海面上 它应该要抛下多长的锚链呢 是正正好就 1百米吗 显然啊 根据我们之前讲的 这是不够的 至少要让船锚躺平嘛 那躺平之后还要再继续放下多长的锚链呢 他至少得是水深的 3~5 倍 甚至如果天气恶劣的话 得要放下去 7~8 倍于水深的锚链长度 他们的一大部分呢会沉到海底 埋进泥沙 从而提供出足够的摩擦力 而另一部分就是悬在水里与船只之间的部分 则形成一个悬链线 它可以利用自身的重力储存大量的能量 悬连线跟抛物线有点像啊 但确实有一条两端都有支撑的链条 垂下来所形成的一个物理曲线 所以跟抛物线有着完全不同的数学公式 它的下垂深度呢跟两个端点之间的间距 以及自身的长度都是有关系的 总的来说 锤得越深 材质越众 所储存的势能也就越多 越能把上面的船给拽住 所以这么比起来 你有没有觉得那个小不点的船锚 似乎无关痛痒了呢 啊这么说也不太公平啊 至少人家还是给毛练挂了个起点嘛 好了最后再分享一个有趣的小知识 船员是怎么知道已经放了多长的锚链 到水里面去的呢 他们是通过观察锚链上面的一个特殊的链环 普通的锚链一般是黑色的 每段长 90 英尺 也就是 27米多一点 叫做一节 然后很多节连在一起组成完整的锚链 把它们连接在一起的就是链环了 它们由红色和白色组成 红色的链环在中间 白色的链环在两边 要是第一节的话 两边就各挂一个白色的链环 要是第二节的话 两边就各挂两个白色的链环 以此类推 于是船员靠观察红色链环的两边到底有几个 白色链环 就能够知道已经有多少节锚链入水了 是不是既直观又简单呢 当然要是能够把这个传链的模型拿在手上 仔细的观察实验 也肯定够直观吧 所以老规矩 点赞评论转发 我给大家准备了三个评论 最精彩的它就是你的了 我是火箭术 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