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。
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。
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。
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。