最全33大系列1000+節【理科生必刷】Crash Course 10分鐘速成課 33大系列之工程學外教講解課 快速對工程相關學科有個深度瞭解 P42 - 工程學-41-運載人類之難

從A到B的需求是我們都熟悉的 在美國 大多數人每天花大約一個小時通勤 更別說我們還進行其他種種出行 但儘管工程師們努力讓這些旅程順利進行 看起來問題還是כתually比應該發生的次數更多 或許你因為機場延誤、地鐵信號問題 或是遇上交通堵塞而遲到了 雖然天氣經常扮演一個角色 但交通系統經常遇到問題的最大原因之一 是它們必須應對另一個持續存在、困難且無法避免的因 素我們 如果想要設計一個優秀的運輸系統 你必須了解將使用它的人們 交通工程是土木工程中最大的學科之一 每一條公路、鐵路、航運航道和航空路線都依賴交通工程師來引導方向 如果你被指派為一個城市建立地鐵系 統你必須在它運作之前規劃、設計並建造每一個細節 此外 運輸系統幾乎從定義上來說就是高度連結的 每個部分都需要支持其他所有部分 在全新軌道上擁有最先進的列車也沒有用 빛車站沒有建在人們需要的地方 一旦系統啟動運行 您就需要持續監控它如何應對需求 那將有助於您做出如何改善車站的可達性以及列車運行頻率等決策 同樣的思考方式也適用於飛機航線和航運系統 儘管公路和高速公路有一些額外的考量 工程學中我們到目前為止所學到的物理特性在設計工作中佔有重要地位 你需要使用適當的材料來製造零件 並加入適當的安全功能 例如 您會希望建造的捷運軌道具有足夠的機械強度 以避免因超載列車而變形 而交通工程的關鍵要素是人 我們是系統的核心部分 與我們之前研究的其他學科不同 這種工程並不是將無生命的材料加工成我們使用或消耗的東西 這是在以一種安全、便捷且舒適的方式移動人 們這意味著除了考慮身體上的需求外 還需考慮社會需求 例如 你如何決定在哪裡建造軌道以及它們應該連接哪些地點 理想情況下 你應該建造足夠的基礎設施 以支持任何人想要進行的每一段旅程 但與工程中的其他一切一樣 成本是你必須面對的最大限制之一 由於您可能有固定的預算來建立一個系統 因此您需要優先考慮哪些部分需要建造以及建造的位置 要 accomplishing that 你必須了解將會進行哪些種類的旅程 地鐵的出現讓一些人想去看朋友或購物 而另一些人則只是為了上班 該設計需要滿足這些不同的需求 同時從乘客票價中獲得足夠的收入以維持系統運作 因此 你們城市的社会和經濟目標在網路設計中扮演著重要角色 交通工程通常涉及將各種不同的優先事項以最佳但很少完美的方式結合起來 這適用於所有規模 你的新地鐵系統 例如 可能有一個車站 兩條線路在此合併成一條 讓來自不同起點的乘客抵達同一個車站 但是如果兩列火車同時到達 它們要如何同時通過呢 顯然 沒有人希望發生碰撞 所以你作為工程師的任務就是設計一個盡可能減少這種情況發生的系統 由於我們處理的是以高速移動的重物 路線必須事先設計好以允許對這些速度進行調整 即使車輛以高速公路的速度行駛 也能安全地在100公尺的距離內剎車停下 一列以相同速度行進的客車 需要超過一公里的距離才能完全停止 這也是為何航空交通管制員必須持續監控並與飛行高度相近的飛機進行通訊的原因 由於客機無法迅速操縱 飛行路線需要設計得盡可能減少不同起點航班的重疊 列車時刻表需要讓列車彼此避開 同時也要避開湍流天氣 但為了避免列車在交會點碰撞 你需要信號系統 為了讓每列火車在必須停車時都能及時獲得通知 你必須在鐵軌上以一定間隔設置常規信號 這些間隔imos也稱為閉塞區段 信號能提供前方幾段路徑的有用資訊 例如是否有其他列車 或者是否可以以全速行駛 為了讓列車有足夠的時間反應並停下來 阻塞區段的長度通常不會短於必要的停車距離 舊型的信號系統依賴於軌道上方或旁邊的一組燈光 駕駛員可以解讀並對其做出反應 為您全新的地鐵系統 您可能會內建無線信號功能 以直接將資訊傳送到車廂、駕駛員或自動系統 如果兩列火車同時駛向同一個交叉口 信號系統會指示其中一列在數個閉塞區段前減速 而讓另一列通過 這個選擇可以透過幾種不同的方式來做出 如果其中一列火車稍微靠近交會點 可能有道理先讓它優先通過 而另一列則被要求等待 但是 如果另一班火車在其路線中較早被延誤 你可能希望信號系統優先處理它 即使它距離較遠 以幫助它恢復準時 或者 如果你想盡快讓盡可能多的人抵達目的地 你可能會先讓最可能載有更多乘客的火車通過 細節將取決於路線的具體情況和您系統的需求 鐵路信號系統涉及管理整個網絡 現代的方法也足夠複雜 當信號顯示前方有危險時 像電子感測器這樣的安全機制會自動停止火車 當它們運行時 信號與軌道的結合為列車帶來了巨大優勢 它們會在該去的時候去該去的地方 但是許多人主要還是依靠汽車、卡車和機車等交通工具來移 動例如在英國 大約三分之二的旅程都是使用汽車完成的 隨著每位駕駛者都能獨立移動 道路喪失了鐵路所享有的許多可預測性 潛在的碰撞不僅限於已知的交叉口 當有人變換車道時 隨時都可能發生碰撞 即使意外沒有發生 來回切換也會造成我們大概都熟悉的問題——交通 堵塞要理解其中原因 實際上有助於回顧流體動力學 一般而言 如果盡可能多的車輛能夠以安全的最快速度通過公路系統 則此公路系統的設計便是完善的 因此 在一段高速公路的範圍內 你可以將系統的效率視為車流的流量angep 流量將是通過車輛密度及其平均速度的乘積 就像水通過管道的流量一樣 但這裡的動力並不是水壓 相反 這是每位駕駛者想要到達目的地的個人意願 如果路上只有少數車輛 這不是問題 汽車不需要為車道空間而爭奪 也不必因為其他駕駛員而減速 每個人都以大致限速的速度行駛 這就是أغلب工程師所稱的正常流量 在正常流量情況下 你只需增加更多的車輛就能提高總流量 換句話說 更多的人通過系統 而高速公路正在發揮其作用 但若車輛過多 問題便會產生 在正常流量下 額外的車輛不會影響每輛車的平均速度 但是當車輛的密度達到所謂的臨界點時 車與車之間空間不足開始造成限制 每個人都會稍微減慢車速以配合周圍的車輛 增加更多的車輛 就會開始出現停頓 當一輛車減速或停下來時 後面的車輛也必須減速 如此類推 這會降低道路上所有車輛的平均速度 儘管車輛數量增加 但一旦超過臨界點 流量實際上會減少 因為它們的平均速度已經降得非常低 那被工程師稱為強制流動 每個人想要出人谇的願望反而使問題更嚴重 每輛車都拼命試圖通過每個開口 這使得交通堵塞更難緩解 車流也難以恢復穩定 開車的人可能有其他路線可以到達他們的目的地 但一般來說 每位駕駛員都希望走最短的路線 這看起來似乎相當合理 但是當所有人都使用相同的路線時 就會產生強制性車流 你可能會認為建造另一條道路或增加更多車道會有所改善 實際上 大多數人仍然會選擇他們認為最快的道路 這反而讓情況更糟 因此 高速公路工程師有時會以看似不尋常的方式來解決這些問題 德國數學家迪特里希·布雷塞提出了一個解決 方案与其增加更多道路 實際上你可以通過拆除道路來改善交通流動 那看起來可能有違直覺 這就是為什麼被稱為布雷塞悖論 畢竟 為何拆除一條高速公路反而能改善交通流動呢 布雷塞的悖論之所以有效 是因為當看似最快的路線被取消後 駕駛者會轉而使用多條替代路線 即使這些替代路線較長 它們每次僅會攜帶少量車輛 ⎡ ⎤ 這能保持較高的車速 並使車流速率更接近正常水平 平均而言 人們走較長的路線反而能更快到達目的地 當然 這只是一種僅適用於部分高速公路的解決方案 一般而言 您需要準確地模擬車流並發展複雜的方法來保持其流動 許多用於鐵路信號的原則同樣適用於程式設計交通燈 甚至道路本身的設計 道路的合併與連接方式對駕駛員的行為及最終的車流模式有著重大影響 未來 如果無人駕駛車隊上路 可能需要全新的高速公路設計原則 就如同自動列車網絡對鐵路所做的那樣 但即使人類不會再駕駛車輛 運輸工程師仍會在場 確保這些旅程的設計安全、快速且便利 在這集節目中 我們探討了運輸工程 我們看到運輸系統從一開始是如何設計的 需要做哪些決策 以及如何在信號系統的協助下運作 我們了解到 finally 交通工程師 可以使用的改善方法(Internet) 下次 我們將探討工程師是如何創造出像你現在正在使用的通訊系統 工程速成課由PBS數位工作室協 辦想要繼續學習嗎請查看《一切事物的起源》 這部節目探討我們日常生活中各種事物的歷史 從我們使用的語言、喜愛的流行文化、幫助 我們度過每一天的科技 到我們所賦予自己的身分 請ulnerable 換行符號 請至描述中的連結訂閱 《 Crash Course 》是由 Complexly 製作的節目 本集是在辛尼博士工作室拍攝的 並得到了這些優秀人士的幫助 我們精彩的圖形團隊是思緒咖啡