太空中的红牛（共3篇）
太空中的红牛 篇1
2013年6月20日,正在太空中翱翔的天宫一号实验室给全国中小学生上了有趣的一堂课.学生们通过电视看到,航天员王亚平演示的单摆在太空中只能绕支点旋转却不能来回摆动(图1).试想在空间站的失重环境里,所有物体都漂浮在空中,没有往回拉的重力单摆自然就摆不起来.不过再深入做些思考,太空中的单摆也并非完全不能摆动,而是遵循与地面上完全不同的摆动规律.
将空间站的质心O作为坐标系的原点,建立与空间站固结的参考坐标系.根据牛顿力学原理,所有相对非惯性坐标系运动的物体除实际作用力以外,还必须增加由于动坐标系的加速度所引起的惯性力.就圆轨道的空间站而言,也就是O点圆周运动的离心力.空间站要维持圆周运动,惯性力与地球引力的合力必须大小相等方向相反.地球引力与地心Oe至物体的距离平方成反比.空间站内的不同位置因为与地心的距离和引力不同,重力与惯性力不能完全抵消,就会有“残余”的重力出现.可见重力在空间站里并未完全消失.
为便于叙述,设空间站的质量作球对称分布.作此规定是因为非球对称物体在中心引力场中的合力作用点不在质心上,叙述较繁但道理相同[1].设单摆的悬挂点与O点重合,与地心Oe的距离为R,单摆的长度为l,摆锤P指向地心一般情况下R要比l大很多,可略去l/R的二次以上小量,则摆锤P与地心的距离为(R-l)(图2).设O点处单位质量的重力为g0,与单位质量的离心力,即O点的向心加速度相等.摆锤P处单位质量的重力g与g0之比等于距离平方的反比
如摆锤的质量为m,作用的重力mg不同于支点加速度引起的惯性力mg0,二者之差形成残余重力,或更确切称之为微重力
既有微重力存在,就应能推动单摆产生摆动.不过推动的动力太微弱,可能产生的摆动极其缓慢.将式(2)代替mg计算单摆的周期T,得到
括号里的是摆长l与O点至地心距离R相等的单摆周期.如果R等于地球半径,令R=6.371×106m,g0=9.81 m/s2,算出T0=84.4 min.单摆周期T约为T0的0.7倍,即大约59.7 min.也就是说,空间站里的单摆需要1 h才能完成一次摆动.有趣的是在周期公式(3)里,由于分母中的g与摆长l成正比而与分子中的l约去,单摆的周期公式就与摆长l无关.这表明伽利略发现的单摆周期随摆长增大的规律在太空中已不再适用.另一个有趣现象是如摆锤P不是指向地心,而是背朝地心指向相反方向,则离心力大于重力也同样存在微重力,只是方向相反.因此太空中的单摆不仅朝下,而且朝上也能摆动.
上述周期1 h的单摆摆动现象很难在太空舱内用实验验证.因为推动摆锤的微重力如此之微弱,以致支点摩擦或空气波动的影响都要比微重力的作用大得多.除非摆索的长度l加得很长,使微重力的作用增大到足以推动摆锤的程度这种摆索超长的大单摆在太空中的实际存在就是绳系卫星(图3).绳系卫星是由作为母星的太空船或空间站以及用系绳悬挂在太空中的子星组成的航天器.子星可朝向地球下垂,也可背向地球上浮.利用绳系卫星可以完成探测、运输甚至发电等特殊任务.20世纪90年代意大利最先研制的绳系卫星实际长度为250 m,而设计的长度可达20 km.即使系绳如此之长,也远小于地球半径6 371 km,上述周期的近似计算公式(3)应仍能适用.即无论系绳有多长,也无论子星下垂或上浮,摆动周期均为1 h左右.这种不衰减的摆动可能在子星刚从母星释放后出现,必须采取有效措施对摆动加以抑制,以保证绳系卫星的正常工作[2].
式(3)中出现的摆长等于地球半径R的单摆周期T0=84.4 min有特殊意义.因为1923年德国工程师舒勒(Sch¨uller,M.)曾证明,当支点沿地球表面作任何加速运动时,都不会对这种单摆指向地心的平衡状态产生干扰.文献中将这种周期84.4的特殊单摆称为舒勒周期摆[3].尽管在理论上成立,但这种单摆根本无法实现.如将支点放在地球上,摆锤不可能穿透地球到达地球中心.唯一的可能是将支点放在轨道高度超过地球半径R的空间站上,半径等于R的单摆方有可能摆起来.如支点高度正好等于R,使单摆沿地球表面摆动(图4).由于摆长l和地球半径R相等,不允许将l/R视为小量,不能再使用近似公式(3)计算单摆的周期.不考虑大气层阻力的影响,由于支点与地心距离2R是摆锤与地心距离R的2倍,则地球引力应相差4倍.即g0=g/4,此处的g表示地球表面的重力加速度9.81 m/s2则g-g0=3g/4,代入周期公式,得到
由此可见,即使采用这种方案能使摆长等于地球半径的单摆付诸实现,但它的周期已不再是舒勒周期了.
摘要：讨论太空中的单摆在微重力作用下的摆动规律,计算太空中的单摆周期.论及绳系卫星及舒勒周期摆的摆动.
关键词：单摆,微重力,舒勒周期
参考文献
[1]刘延柱.高等动力学.北京:高等教育出版社,2001
[2]刘延柱.再谈荡秋千——兼谈自激振动.力学与实践,2007,29(3):92-93
[3]贾书惠.神秘的数字84.4.力学与实践,1997,19(1):67-69
品饮“红牛”安全能量 篇2
北京生产基地从德国引进的先进生产线
红牛维他命饮料有限公司北京生产基地通过的体系认证 (部分)
16年无重大安全事故
踏进公司大门, 记者看到一排整齐的现代化厂房, 环境优美, 更被一股浓烈的香甜味紧紧环绕, 这应该就是“红牛”的气息。记者跟随接待人员进入了办公大楼, 大厅的墙壁上布满了各种荣誉证书, 质量方针、环境方针、职业健康安全方针等标识语布满了会议室的墙壁。
“我们公司自成立以来, 始终坚持‘安全第一, 预防为主’的方针, 以安全生产为中心, 视安全为一切工作的重中之重, 16年来, 无重大安全事故发生, 有效确保了企业的安全运营, 切实把安全工作落到了实处。”生产部经理刘云介绍说, “我们在国内拥有设在北京怀柔、湖北咸宁、广东佛山、海南海口、江苏宜兴的5个现代化国际标准生产基地, 北京基地是其中建厂相对较早的一家。”
对于企业的管理, 刘云告诉记者:“北京生产基地自建厂伊始, 就实施了国际标准化体系管理, 先后通过了ISO9001、ISO14001、OHSAS18001、安全饮品等多项体系认证并在进行持续改进, 国际标准体系得到了很好的实施和运行。”
9大危险源辨识
对于一个企业来说, 是如何做到16年来无重大安全事故发生的呢?北京生产基地负责人说:“我们主要从3个层面做出了很大的努力。首先, 建立组织架构、健全管理体系。公司建立完善的安全管理组织架构, 由公司最高领导重点抓, 分管领导亲自抓, 安全管理部门具体抓, 并在车间设立安全责任人、岗位设立责任主管, 层层落实, 为安全工作的有效运营提供强有力的组织保障。建立并运行OHSAS18001职业健康安全管理体系, 指导员工人身安全和职业健康安全。第二, 完善硬件配置、树立安全意识。公司从人身安全、财产安全等方面进行全面排查, 配备相应的硬件设施, 最大限度地降低安全风险, 生产基地共制作安全指示牌97块, 配备安全防护设施58项。基地在硬件方面非常舍得投入, 因为一旦发生事故, 损失惨重。第三, 辨识9个重大危险源, 它们分别为火灾、X射线辐射、压力容器管道爆炸、触电、交通事故、受限空间作业、化学品烧伤 (腐蚀) 、食物中毒、食堂燃气泄露。”
记者追问:“对于9个危险源, 我们都采取了哪些措施呢?”基地负责人答道:“9个重大危险源是我们基地安全管理工作的重点, 也是各级安全管理的聚焦点。针对以上重大危险因素, 基地制定了应急响应控制程序文件, 规范了应急预案及措施, 并分别建立作业指导书及安全管理制度。明确安全责任人, 建立制度与标准, 定期检查, 定期开展培训演练, 确保一旦事故发生, 将损失降至最低。另一方面, 我们极其重视检查与演练, 以季度安全检查和重点节假日检查为主, 以专项整治行动为辅, 开展定期与不定期的安全大检查。尤其是针对重大危险源, 我们通过岗位员工的自检与互检、主管的巡检, 领导定期与不定期的抽检, 排除安全隐患。结合各岗位危险因素开展专项培训及应急演练, 在培训与演练过程中, 要求相关岗位员工及主管领导全程参与。通过模拟演练, 一方面可以检验各级应急预案的实用性与可操作性, 另一方面可以检查员工在事故发生时的应对能力。”
安全文化培养
基地领导还跟记者分享了企业对员工安全文化培养所做的5个方面的工作。第一, 注重宣传。为职工营造一个安全的氛围, 例如发挥食堂橱窗、内部刊物等的作用, 制作一些标牌、标语警示, 以及安全知识普及的介绍, 提升企业的安全文化氛围。第二, 加大员工的培训。扩展培训的广度和深度, 例如入岗前的培训、车间岗位的班组教育等, 逐步提升员工对安全知识的了解, 防患于未然。第三, 加强考核。一方面是对员工对安全知识的了解的考核, 另一方面是对员工岗位职责的考核, 并采取一票否决制度。第四, 以史为鉴。制作事故警示录, 使员工从事故中吸取教训。第五, 签订员工安全责任书。细化到厂内必须遵守的交通规则, 以此来提高员工的安全意识。
同时, 他还强调:“从企业层面来讲, 我们积极地寻求和争取各职能部门的指导和监督, 通过职能部门的监督检查来帮助我们辨识出危险因素在哪儿, 在监督的过程中来完善我们自身的安全管理体系。人防、物防、技防联合消除物的不安全状态, 人的不安全行为, 从而达到实现企业的岗位没有隐患、人员没有违章、企业没有事故。”
刘云作为北京生产基地建厂初期入职的员工, 具有十多年安全生产管理实战经验, 她告诉记者:“对于我们生产部门来说, 主要体现在安全生产的执行层面, 我们每年都会有管理评审会, 制定出下一年安全管理的目标, 这个目标会分解到各个班组, 体现为班组的考核目标, 有班组自检、部门巡检。从员工的教育层面来讲, 我们实行三班制, 白班、中班、夜班, 每天班前会, 当班的主管都会首先强调安全问题, 还有岗位的沟通会, 主要是总结之前的安全问题, 增强员工的忧患意识。”
翱翔在太空中的“章鱼” 篇3
当“章鱼”飞上了天空
想象一下,在地面上发射的探测器冲出地球的磁场瞬间,开始感受到来自太阳的粒子风暴:一波,又一波,越来越强烈。看来已经进入了太阳风肆虐的星际空间,这时探测器开始向四周释放出50根比头发丝还细的铝丝,每根铝丝长20千米,没错,单位就是千米,不过在浩渺宇宙中,这样的尺寸级别真是微不足道。最关键这些铝丝还会随着探测器的运行而不停旋转,在探测器周围形成一个电场,就如同一张看不见的帆,在太阳风的劲吹下,加速向前。
这一幕未来场景真是不可思议,极细的铝丝能让太空探测器获得如此高的速度,恐怕连儒勒·凡尔纳这样伟大的科幻作家都不敢想象!2013年5月,爱沙尼亚首枚卫星EST-1即实验性地配备了10米长的铝丝。人们还计划在2015年的芬兰Aaho-1卫星上测试长度为100米的铝丝。“太阳风力帆”的设想由芬兰气象究研究所的佩卡·扬提出,他希能以此解决太空旅行的成本及燃料供给问题,这两者都困扰了航天工业很多年。
能量取之不尽
无论是采用固态还是液态的推进剂,传统的喷射推进方式都是通过向外高速喷射燃烧气体来提供前进的动量。依赖喷射推进的探测器,往往需要携带大量的燃料。减去这部分重量,不但可大幅降低发射成本,也将使探测器的制造大为简化。这样一来,借助行星引力,利用弹弓效应为探测器加速也变得可有可无。我们再也不必为选择合适的发射日期而守株待兔。
要知道,太阳每秒钟喷射出的质子多达100万吨,其速度更是高达450千米/秒。如此大量的高速粒子流使得太阳成为取之不尽、用之不竭的能量之源。于是科学家就有了给探测器装上金属丝的想法:探测器四周,带着正电荷的金属丝就仿佛是一个巨大的螺旋桨,高速飞来的质子撞击其上,动能得到传递,这样探测器就获得远离太阳的加速度。这一革命性的设计还解决了传统太阳帆推进技术所面临的三大难题。仅几微米厚传统的太阳帆就像一张高科技风筝,无法提供足够的动力,安装十分复杂,且其脆弱的结构也极易受空间漂浮物的破坏。
“章鱼”的三大优势
科学家佩卡·扬的发明解决了传统太阳帆的上述三大难题。首先,与依靠阳光(光子)推动的传统太阳帆相反,驱动电力帆的是质子,由于质子质量比光子大得多,同等条件下电力帆的推力至少是太阳帆的50倍。
其次,电力帆由许多极细的铝丝构成,在太空中释放时比一整张太阳帆打开简易得多。
再者,电力帆张开后形成的电场面积就相当于太阳帆的表面,但太空漂浮颗粒可以从金属细丝的缝隙中自由穿越,不会对其结构遭成损害。
一切皆有可能
2013年1月,赫尔辛基大学的工程师完成了一项技术壮举,他们制造出了一根1千米长的丝缆:它由4条金属丝绞成,共有9万多个超声波焊点。研究人员估算,100根左右的丝缆才可为探测器提供1牛顿的推力,这只有传统喷射推进器推力的百万分之一。然而,电力帆的任务并不是要让探测器从地面起飞。只有当探测器离开地球磁场后,这些丝缆才会被展开,接替喷射引擎的工作,为探测器进入太阳系深处提供持续的动力。
虽然太阳风电力帆能使探测器向目标快速前进,但也无法刹车。因此,使用这种推动技术的探测器将冲入遥远行星大气内部,而不是环绕它们运行。科学家从2006年起,就开始在这方面展开合作。2014年1月,他们确定了电力帆探测的目标:只需6年,便可抵达遥远的天王星。采用传统的化学推进技术需要15年才能抵达那里。
太空旅行的路线图
那么,这次太空旅行的路线图是怎样的呢?按照计划,探测器将在地球磁场的边缘展开50条20千米长的线缆构成电力帆。后者将为探测器带来0.5牛顿的推力,探测器也将逐渐升至100千米/秒的巡航速度。
3年后,探测器将在经过土星时抛弃电力帆,依靠之前的惯性前进。在抵达天王星之前一周,探测器会分解成两部分,其中一部分进入天王星的大气层执行探测任务,并将测量数据回传到10 000千米外的另一部分上面,经过一次中转传回地球。这可算的上是非常完美的探险计划,但在将其付诸实施之前,计划还要得到批准。佩卡·扬必须向世人证明,他们的设计能够经受住空间测试的严峻考验。
虽然这个计划在理论上无懈可击,但还是要看探测器在真实条件的表现。太阳风中的电子带负电,会不可避免地聚集到带正电的丝缆上,这会大幅降低电力帆系统的能效。另外,如何在太空中打开电力帆,避免其受到损伤,这的确是个技术上的挑战。科学家现在将一种由太阳能电池板供能的电子枪嵌入到探测器上,用来捕捉并清除附着在丝缆上的电子。当探测器渐渐远离太阳,太阳能电池板提供的能量将日益衰减,但与此同时,附着在丝缆上的电子数量也会因与太阳距离的增大而减少。
未来的科学应用前景
至于在太空中张开电力帆的技术,我们很快就能知道其优劣:一年前升空的第一台原型探测器EST-1将在近日展开其10米长的丝缆。科学家计划在这些丝缆上施加数百伏特的电压,以测试其机械强度以及对大气层顶部带电粒子的反应。2015年,芬兰还将借助Aalto-1卫星对100米长的丝缆进行测试。只有验证电力帆装置的可行性,不远的将来才可能会有一队队带着长长触手的探测器向着太阳系边缘那些大大小小的天体进发。