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知識大圖解:齒條與小齒輪鐵路

知識大圖解_96
・2014/10/14 ・738字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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齒條與小齒輪鐵路(也稱為齒軌鐵路)採用了具有輪齒的軌道。加裝輪齒的軌道通常位於兩個行駛軌的中心,能夠使火車頭穿越斜度超過7%的陡坡,而7%至今仍是標準黏著式鐵路的最大斜度限制。

每套齒條與小齒輪系統運作的核心原理是火車頭的圓形齒輪齧合在線型齒條上。因此,齒條與小齒輪基本上是將火車發動機所產生的旋轉能轉換成在齒條上進行直線運動的動能。由於齒條與小齒輪皆具有輪齒,這套系統也能對軌道提供額外的附著力,當火車靜止時互相齧合的輪齒則可將其固定就位。

由於傳統火車的主要動力來源形式是蒸汽,改用齒條與小齒輪系統的火車則需要大幅改裝。從列車車盤的改造(以便安裝小齒輪),到讓鍋爐、駕駛室和上部結構變得傾斜,都是需要變更的部分。

傾斜是必要的,因為蒸汽機鍋爐內的水必須隨時覆蓋過鍋爐管和火箱以維持穩定──在火車呈現不水平的狀態下這幾乎不可能達成。 因此,在齒軌鐵路行駛的火車頭會朝向軌道傾斜以抵銷地形的坡度。

雖然罕見,至今齒條與小齒輪系統仍然在全球各地運作,不過是搭配蒸汽機與柴油/電車頭的組合。其中一個最有名的例子是華盛頓山齒軌鐵路。

機械登山者華盛頓山齒軌鐵路位於美國新罕布夏州,是首條被用來攀爬山坡的齒條與小齒輪鐵路。由西爾維斯特 ‧馬什在1869年建造完成,此系統是世界第二陡峭的齒軌鐵路,其最高斜度可達37.4%。這條鐵路全長4.8公里,在華盛頓山的西坡蜿蜒而上,由海平面上820公尺開始,最高來到接近頂峰的1917公尺。火車頭以時速4.5公里攀升,下山的時速則為7.4公里。儘管是在144年前所建造,這條齒軌鐵路至今仍完整運作中。

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本文選自《HOW IT WORKS知識大圖解 中文版》第01期(2014年10月號)

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知識大圖解_96
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發現安提基特拉儀│科學史上的今天:5/17
張瑞棋_96
・2015/05/17 ・1073字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

1900 年 10 月一場突如其來的暴風雨,迫使希臘幾位採收海綿的潛水夫將船駛到安提基特拉島避難。風雨過後,他們索性就地下海尋找海綿,不料赫然發現一艘裝滿古物的沈船。經過幾個月的打撈,一批批的古希臘文物與珠寶成了雅典國家考古博物館的典藏。其中一塊已嚴重鈣化的小木盒始終未引起注意,直到它不知何時已風乾裂開成三塊後,館長才於 1902 年 5 月 17 日發現上面竟嵌著結構複雜的齒輪,這個宛如穿越時空的「安提基特拉儀」(Antikythera mechanism)就這麼橫空出世。

安提基特拉儀於西元前二世紀左右製造,上面的銘文顯示應是某種天文儀器。雖然古文明如埃及、中國也都早已有天文儀器,但都尚未使用到齒輪;東漢張衡的渾天儀據說利用水力帶動齒輪轉動,也已是三百年後。更何況安提基特拉儀的齒輪多達數十個,輪齒只有1.5公釐長,環環相扣、繁複精密,歷史上再有類似的裝置已是十三世紀末期以後才發明的鐘錶,因此它的出現完全顛覆了科學史。

受限於二十世紀初的技術,加上兩次世界大戰的磨耗,要到五○年代以後才有科學家對它展開研究,但直到本世紀初,藉助於 X光三維造影技術以及來自電玩產業的表面紋理強化技術,安提基特拉儀內部嚴重鏽蝕的層層齒輪與模糊難辨的銘刻文字才終於現出原形。

經過科學家的還原,安提基特拉儀的大小為 34 × 18 × 9 公分,共有 30 個已知齒輪與至少 5 個佚失的齒輪。背面上下各一個轉盤,用以設定與指示年分與月份;正面是有著黃道帶刻度的大轉盤,其上有指針可以分別標示太陽、月亮與五大行星的位置。轉動側面的把手,帶動齒輪運轉,就能預測未來日蝕與月蝕的時間,並標示出屆時天體的位置。

它的工作原理是基於每 223 個朔望月,太陽、地球與月亮的排列會近乎直線。但因為當時的宇宙觀仍是地心說,也不知道天體運行的軌道是橢圓形,所以為了彌補這個天體運行模型與實際觀測的誤差,安提基特拉儀的內部齒輪使用像遊樂園旋轉杯那樣的行星齒輪,還利用插銷的伸縮調整齒輪比。這些技術與精巧細密的工藝竟就這麼獨一無二的曇花一現,直到一千多年後才又被重新發明,實在難以想像古希臘人竟有如此超越時代的智慧。

也許它正是超越時代的天才──阿基米德──的心血結晶。史書記載阿基米德於西元前 212 年城陷被羅馬士兵當場殺死後,他所發明的一件天文儀器被羅馬將軍取走作為戰利品。如果它正是這部安提基特拉儀,不禁令人更加感嘆還有多少阿基米德的先進知識就此失傳,延宕了人類的科學進展。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。