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Sandbox Physics
日光下的阀门,磁场中的波

热 · 偶然 · 集体行为

天亮以后,几根金属杆替灯塔关了灯

Dalén 的太阳阀没有电,怎样认出天亮了?

远处的灯塔,要自己省着用气

远海礁石上的灯标,不能天天有人去看。乙炔能烧出明亮的光,可如果白天也一直烧,储存的燃气就白白耗掉了。Dalén 在 1907 年制成的太阳阀,借阳光带来的热,白天关掉主气路,入夜再打开。整个动作靠机械完成。

这只是他在 AGA 改进灯塔照明的一部分。闪光装置把燃气分成短促的一次次供给,由常燃的小火苗点着,让灯标周期性发光。这样既省气,闪光节奏也能帮助航海者分辨不同灯标。太阳阀再补上一步:日照充足的时候,连主闪光也停下来。

来源:[1][2]

黑杆多吸一点光,就多长一点

保护玻璃罩里,一根涂黑的金属杆,周围围着三根发亮的杆。它们待在相近环境,表面却不一样。黑色表面吸收更多日光,温度升得更高;磨亮的表面反射得多,相对凉一些。

金属受热会伸长,中央黑杆便比周围的亮杆多长一点。机械连接把这点相对位移传到阀门,关住主气路。黄昏时黑杆冷却,长度差缩小,气路重新打开,燃气再次被常燃的小火苗点着。

这里起作用的是几根杆之间的差别。周围空气普遍变热,邻近的杆都会受到影响;阳光照过来,黑杆却会额外多热一些。装置在内部放了一组比较对象,让日照的影响更容易从普通气温变化中显出来。

可以想象一个气温很低、阳光却很好的早晨。若只凭周围空气冷不冷来开关灯,机构很可能仍留在夜间状态。太阳阀有了亮杆作参照,黑杆吸光后额外多热一点,便有机会认出已经天亮。光照减弱时,两者温度重新靠近,阀门再回到另一边。

来源:[1][2]

很小的位移,可以控制很大的气流

瑞典技术博物馆介绍,金属杆只需伸长千分之二毫米,就能熄灭灯标。具体阈值取决于机构调节,但这个尺度说明了难题:很小的热位移,要稳定地操纵燃气。阳光也不用提供火焰的能量,只要拨动决定燃料能否通过的机构。

金属杆升温、降温都需要时间。云遮过来,照进来的光先变,杆温随后才慢慢跟上;这种热响应本身就给开关带来一个时间尺度。机构怎样调整,又决定了长度差达到多大时阀门才动作。

从现代控制的眼光看,金属件把感受环境与执行动作连在了一起。太阳阀感受的是外来的日照,主燃气是否通过跟着它变。它没有不断测灯光亮度、与目标比较误差的电子控制器。决定何时点灯的太阳阀,与安排闪光节奏的机构,各自承担一项任务。

来源:[1][2]

获奖的是一套能工作的灯塔系统

1912 年物理学奖表彰的是与储气装置配合、用于灯塔和浮标照明的自动调节器。范围比一根晒热的杆更广。储气、定时闪光、白天停气必须配合起来,灯标才能在无人照看的地方可靠工作。

当年的颁奖演说讲到,航海照明需求不断增长,每一个装置都派人持续照看,负担太大。Dalén 回答的是这个实际问题:远离工场以后,怎样让灯标靠储好的燃气,在入夜时自行亮起来,并尽量维持更久。

太阳阀的物理想法很朴素。同样的光,照在不同表面上,吸收的热不同;温度差变成长度差,再让长度差拨动阀门。普通的材料性质,被安排进一套细巧机构,便替远处的灯塔做了决定。

来源:[3][4]

来源与阅读说明

  1. Tekniska museet, Gustaf Dalén — Beacon Lighting

    把闪光装置与太阳阀两节分开,认出黑杆、三根亮杆与膜片连接。

  2. Chance Brothers Lighthouse Engineers, Buoys & Beacons

    沿太阳阀图与说明,追踪差异受热、关阀及常燃引火。

  3. The Nobel Prize in Physics 1912

    读完整范围:用于灯塔、浮标,并与储气装置配合的自动调节器。

  4. H. G. Söderbaum, Nobel Physics Presentation Speech (1912)

    读开头对航海照明需求及无人值守困难的说明。

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