2018年10月30日 星期二

只要跑得夠快悲傷就追不上你,但GPS可以啊!




天上飛的,地上爬的,水裡游的…… 世間萬物都在運動,只不過因參照不同而有快慢之分。



為了掌握不同物體的運動規律,製造出更快更強的工具和設備,測速,就成了一個重要的命題。



還記得課本上是怎麼教你測算速度的嗎?


利用打點計時器可得到兩點間距離和所用時間,兩者的比值即為兩點之間的平均速度|高中物理試題


大多數測速方法,核心原理都是利用速度的定義,即物體運動的路程除以運動所用的時間。如果是變速運動,為了獲知速度怎樣隨時間變化,可以通過縮短測量時間、增加測量次數來實現。


近代幾百年間,人類科技飛速發展,目前對於長度和時間的測量,已經能達到很高的精度,比如長度可以測量到亞原子級別(約10-12米),原子鐘的計時精度,可以達到10-15秒(上百億年才有1秒的誤差)。



加上超聲波、電磁波、激光這些工具,理論上,我們在地面上看到的一切物體,都能測速


早期,對於帶輪子的交通工具,被用來測速的是機械式的轉速測量儀器。速度表與轉軸直接相連,可以直接測量車子輪軸的轉速。


現在用的更廣泛的,是測速感測器,利用光電或磁電原理,產生周期性的電信號,並據此算出速度。



輪速感測器在車輪轉動時會產生並傳遞電信號,轉化後可得到車輪轉速|repairpal.com


在高速公路上,出於安全考慮,必須嚴格控制車輛的速度。



這時候常用的測速方法有區間測速,就是在路上固定兩個監測點,記錄車輛通過的時間,據此計算區間內的平均速度。記錄的方法可以很多樣,比如人見人怕的超速拍照。



還有一種是雷達測速,利用了光波的多普勒效應。


物體運動時,碰到儀器發出的光波,反射波的頻率會因此發生變化。頻率的變化和物體速度有關,利用這個特點,只發出和接收一個脈衝信號就可以獲得車輛的速度信息。


雷達測速的原理|作者供圖


對於一些高速運轉,無法近距離測量的物體,測速方法可謂是花樣百出。



飛機的速度是怎麼測出來的?答案是利用飛行時受到的氣流壓力


飛機上自帶測速用的空速管,又叫大氣感測器。



飛行時氣流從空速管流入,管內的感受器能測出氣流的壓力,而氣流壓力和飛行速度有關,通過計算就能知道速度。


另外飛機上都有慣性測量裝置,能測量飛機的加速度(速度隨時間的變化),通過一些數學處理也能算出速度,不過這種方法的精度會隨飛行時間的增加而下降。



還有一個大招,通吃地球上幾乎所有的交通工具,那就是GPS測速


只要你在物體上放置衛星定位裝置,通過接受天上幾個不同位置的衛星發出的精確時間信號,就能精確定位物體位置的移動和時間,測速自然小菜一碟。



圖丨stackexchange.com


運動場上,更是各種測速黑科技大顯身手的時候。


比如在網球、羽毛球等各種高速球類運動中,常見的測速手段是雷達測速槍以及速度追蹤系統


賽場邊設置的雷達測速槍,通過電磁波的頻率改變來計算球的瞬時速度。



雷達測速槍|Athla youtube channel


在賽場高空處設有速度追蹤系統,多架高速攝像機追蹤球的飛行軌跡,以記錄下運動員在絕殺扣球時,球所能達到的最高速度。



圖丨popularmechanics.com


編輯:張帥琰,胡曉,李小葵


少年編委:周子喬,李淏嘉,張櫪元,鄭之玥,閆瑾坤,厲佳寧


本文首發於:


果殼少年(ID:guokr_junior)


如需二次轉載請聯繫原作者,


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