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 P44 - 工程學-43-海洋工程

如果你曾經買過一部新手機、一件T恤 或者說基本上任何東西 它很可能經歷了漫長的旅程 甚至可能來自不同的大陸 那幾乎完全是因為運輸 也就是真正的船運 運輸支持了全球90%的貿易 從最新的玩具到拯救生命的藥品 隨著世界日益緊密相連 我們都希望比以往任何時候都能傳送和接收更多東西 過去十年間 所有海運產品的總重量已增加超過四分之一 雖然你可能很少考慮這件事 但確保所有船隻安全橫跨海洋是一項重大挑戰 船隻在運送我們所需之物到需要之處的旅程中 必須應對海浪、海洋生物、腐蝕等各種挑戰 設計能夠抵禦各種挑戰的船隻 你需要海事工程 你可能會認為 在經歷了核電廠熔毀、起司災難和地震之後 一點點水應該不是最難應對的問題 但海洋不只是一個大而濕的塊狀 物在其深處隱藏著一個充滿化學、生物和物理複雜性的世界 帶來各種各樣的挑戰 因此 海洋工程的考量與陸地或空中的工程大不相同 海洋工程師幾乎會處理任何會在水中停留的東西 船隻當然屬於此類 但離岸石油平台和風力發電場等結構也一樣 海事工程師需要具備機械、電氣 甚至土木工程方面的廣泛知識 他們必須整合流體力學、材料設計、能源產生與電腦架構 以建造完全獨立於陸地資源的東西 儘管航行船隻與永久性設施面臨的挑戰有著很大的差異 但它們在應對海洋嚴酷環境方面卻有許多共同的問題 海洋表面很少完全平靜 這一點任何經驗豐富的水手都能告訴你 你面對的是大量密集的液體與你所設計的一切相互碰撞 一立方米的水重一公噸 這使得洶湧的海浪產生的力量與移動中的汽車相當 即使浪花不大 水也容易滲入結構並開始造成問題 這就是為何在海事工程中 你的首要目標通常是製造一個防水的結構 水洩漏不僅對船隻是明顯的問題 還可能導致海底電纜或採礦機械中的電子設備短路 水越深 上方的水壓越大 這意味著壓力也越高 這使得潛水艇在機械結構上保持完整且防水變得更加困難 工程師們進行了類似潛艇艙門的測試 例如用高壓水管噴射並檢查是否有洩漏 你甚至可以通過在艙門的一側放置超聲波發射器 並檢查是否能在另一側檢測到 來發現軟管測試無法發現的微小洩漏 透過追蹤聲音從艙口邊緣傳來的來源 你可以找到並修補任何可能讓水滲入潛艇或空氣逸出的小縫隙 當然 船不會只是靜靜地停在水裡 它們需要移動 水的密度是空氣的800倍 當船隻移動時 會持續將水推開 幸運的是 螺旋槳實際上利用了這種密度 當螺旋槳旋轉時 葉片會以一定角度切入水中 並將水推至船身後方 螺旋槳向後排出的質量越多 船隻向前推進的力量就越大 這只是動量守恆定律的體現 螺旋槳的葉片設計使得水流能更有效地流過和繞過 就像飛機的機翼一樣 不幸的是 船用螺旋槳面臨一些空中飛行器不會遇到的挑戰 當葉片以高速旋轉時 它們會使周圍的部分水體沸騰 而且這不是因為螺旋槳加熱了水 而是因為旋轉葉片兩側的巨大壓力差 這會產生微小的水蒸氣氣泡 當這些氣泡坍縮時 會產生衝擊波 撞擊螺旋槳 這個過程稱為空蝕 它看起來可能不會對造成太大損害 但空蝕作用所產生的力道 卻與用鎚子猛敲葉輪的力道不相上下 長期下來 這可能會導致嚴重的變形 並妨礙其高效運作 空蝕現象發生在葉片需要快速旋轉以產生強大推進力的時候 你可以減慢它們以避免氣蝕 但這會降低螺旋槳提供的推力——除非你願意發揮創意 美國海軍的俄亥俄級潛艦將標準的三葉螺旋槳設計更換為七葉螺旋槳 這些螺旋槳的設計能在低速時產生更大的推力 使其能提供足夠的動力推動潛艇 且產生的空蝕現象大幅減少 海軍認為這是一個重大突破 因此設計的詳細內容已保密數十年 螺旋槳的精確細節取決於船隻的重量以及其需要行進的速度 流體力學和熱力學至關重要 因為水溫和壓力會影響性能 而且不僅僅是螺旋槳的設計重要 材料本身也很關鍵——事實上 整艘船的材料都是如此 由於金屬相對容易塑造 且在不受變形的情況下能承受大量壓力 因此成為建造船體的首選材料 但隨著時間的推移 金屬和水不太相容 水含有大量氧氣 因此將金屬浸入水中可能會引發稱為氧化的化學反應 你可能至少聽過氧化鐵 它更常被稱為銹 氧化會腐蝕船體 導致其失去材料並變脆 腐蝕是任何金屬結構在長期接觸水時會面臨的嚴重問題 它們腐蝕得越嚴重 強度就會越弱 海洋工程師經常擔心的一種化學反應是電化學腐蝕 這發生在物體的某些部分由不同金屬製成時 例如船體採用鋁合金而螺旋槳則使用不鏽鋼 鋁具有化學活性 而鋼則相對惰性 這差異正是問題的核心 海水非常善於導電 這表示它能將帶電粒子從船體傳送到螺旋槳 當電流將鋁分子從船體上帶走時 會留下一層腐蝕的表面 為了防止這種情況 海事工程師通常會使用陽極保護裝置 這基本上只是鋅塊 它被稱為陽極 是因為它在電池中扮演陽極的角色 它會釋放出帶電粒子 在自身與船體其他金屬部件之間形成電流 因為鋅比鋁更具活性 因此更容易釋放分子並率先發生腐蝕 那是它為了防止結構外殼腐蝕所做出的犧牲 另一種防止腐蝕的方法是人為地在船體中通入微弱電流 以抵消海水流動產生的電流 現在 到目前為止 我們主要談論的是水所造成的問題 但海洋不只是水 它是一個完整的生態系統 實際上 像鯊魚和鯨魚這樣的大型動物不是你應該擔心 的造成真正麻煩的是那些小東西 比如藻類、牡蠣和藤壺 這些海洋生物會附著在船體上 隨著時間的推移而累積 通常是在船隻停泊或靜止的時候 隨著時間的推移 所有這些生物物質會在船體表面形成凸起 使船體的流線型效果降低 這種現象稱為污損 污垢使船隻行進時螺旋槳必須更加費力運作 為抵消船體粗糙表面造成的阻力 油耗最多會增加30% 處理這問題最簡單的方法就是定期清潔船體並去除附著在上面的物體 但近年來 工程師們已經想出了更複雜的解決方案來應對生物污損問題 例如特殊塗層使金屬過於光滑 藤壺和蛤蜊無法附著 表面之上也有需要考慮的問題 由於船舶完全獨立於陸地上的基礎設施 輪機工程師必須自行解決所有問題 這意味著了解如何供電、保持船內舒適的溫度 以及處理廢物儲存 巨輪宛如浮動的城市 因此海事工程師需處理從燃料電池到導航系統等各類設備 但即使你有了一個基本的船隻設計 知道你的船需要什麼 與實際組裝起來是完全不同的事情 即使沒有任何貨物 集裝箱船的重量也可以達到數千噸 因此通常無法在陸地上建造、搬起並放入水中 在建造方面 海事工程師必須發揮創意 你可以在船台上的所有東西 基本上是一條大型斜坡 讓船隻直接滑入水中 但是對於大型船舶 例如油輪 更好的選擇是使用乾船塢 乾船塢是靠近海邊的池塘 可以封閉並排乾 以便在內部建造船隻 在那裡 它們可以被建造、確保防水並進行嚴格測試 不會受到海水的干擾 一旦工程師完成最後的細節調整 將船隻放入水中就變得非常簡單 只需灌水進乾船塢並重新打開通向海的閘門即可 這樣就可以將其拖出 類似的概念也用來建造永久性結構 例如離岸油台的部分構造 每個部件都在船塢中建造 以便運送到海上組裝 因此 你可以看到 組裝船隻並把它們放入海洋中並不容易 但隨著越來越多的貨物被運輸 世界將需要更多的船隻 在這集節目中 我們探討了海洋工程 我們看到船隻是如何設計來應對水環境以及海洋工程所面臨的挑戰 例如腐蝕和海洋生物 我們也研究了一些工程師用來克服這些問題的解決方案 最後 我們看到大型海事結構如何在陸地上建造 然後最終轉移到水中 下次我們將探討如何在工程設計的幫助下 從海水中取得可飲用的水 《工程速成課》由PBS數位工作室聯合 製作想要繼續探索這個世界 嗎請查看《時空之旅》 這是一系列探討地球生命歷史的節目 請在描述欄的連結訂閱 Crash Course 是 Complexly 製作的節目 本集是在 Cheryl C Kinney 博士工作室拍攝的 在這些優秀人士以及我們精彩的圖形團隊的幫助下 Thought Cafe 還是持續運作著