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为什么航空器的速度单位是「节」,而不是更常用的「千米/时」?

本帖由 漂亮的石头2022-07-31 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    [​IMG] Choir Glee,带骨牛排有带骨牛排的胃,豆酱拉面有豆酱拉面的胃。 阅读原文

    简单来说,因为节是航海单位,而航空与航海非常相似: 都是缺乏参照物,需要借助天文 / 地磁 / 航速 / 航行时间来导航;都是只能获取相对于介质的速度;都可以几乎沿直线行进而不像在地面只能沿着弯曲的道路前进;都需要掌握自己的经纬度以便于绘制航图,规划航行路线;都需要长距离航行,此时地球的曲率已到了不可忽视的地步,而非像短途旅行可以用平面来近似。飞机要想独立导航,非得用航海导航法不可。所以单位就照搬过来了。

    那么航海的速度单位“节”又是怎么来的呢?这就很有趣了。

    在现代化的测速工具发明以前,船舶测速是通过往海里扔一块系着绳子的圆木片(chip log)测速的。顾名思义,它就是从整根圆木上切下一片来制作的。圆木片长这样:

    [​IMG]
    一个典型的圆木片(chip log)。航行日志 logbook 也得名于此。后来航行日志又引申为用于记录的文件——因此有了.log 文件,有了 vlog。log 既是圆木又是日志,一词多义差这么远,渊源就在这呢。

    圆木片的下端配重,不使木片完全漂浮。使用时,从船尾把圆木片扔下去,由于配重的关系,圆木片上端浮起,下端垂直于水面地没入水中,受到的阻力最大,而绳子可以自由拉出,因此木片可视为相对水面静止。绳子上预先每隔一段距离打结,水手让绳子自然地放出,并用 30 秒沙漏计时(现代规定为 28 秒),计时结束后,有几个结被放出,船速便为几节。(真奇怪 knot 明明是结,却翻译成节。是取几节绳子的意思吗?)但打结的间隔是多少,也就是,节的数值是如何确定的呢?不妨先看一点历史。

    在公元 1500 年左右以前,人类是很难在开阔海域航海的。因为洋流、风向很难预测,船只在缺乏参照物的情况下很难确定自己的位置。那时候开阔海域的航行仅限于在了解其气候、洋流的情况下,依靠“死推(dead reckoning)”法导航——也就是根据测得的船速、罗盘得出的航向、简单计时工具计算船的位置。显然,这玩意的误差大得离谱。因此那时航海基本上是沿着海岸线航行目视导航,想要进入深海,基本靠运气。

    后来,六分仪有了,水手可以通过观测北极星高度角精确测量纬度;精确的时钟有了,水手测量太阳高度最大时即为当地的正午 12 点,对比出发地带来的时钟,就可以测得经度了。至此,船只在海上算是解决了定位问题。

    这时候,当船只可以测量其经纬度,而航行距离却还用里格、英里之类的陆地单位表示,换算就很麻烦: 船速是 x 英里 / 时,我一小时后会航行到什么位置呢?我昨天的位置是 a,今天的位置是 b,那我一天的平均航速是多少?航行距离是多少?照此下去什么时候能到达位于 c 的港口?显然,此时此刻,被问及这些问题的船员满头冒汗,毕竟那个年代没有计算器,这些东西都要手工计算。这时候海上的距离、速度单位再不与经纬度发生点什么关系,就只能说水手是人均做题家,热爱计算了。

    但开什么玩笑,算数时间多了,喝朗姆的时间就少了;万一算错了又怎么办,要知道船上船长具有不容置疑的权威,拿捏你个小水手还不是伸手就来。搞不好整个触礁啥的,命都没了。

    于是大家就采用了这种做法: 使船沿着任意大圆(即通过地球球心的圆)航行 1 分(60 分之 1 度)的距离为 1 海里,而令每小时 1 海里的速度为 1 节。这样即利于计算,又与陆地采取的单位大致上接近。从此水手喜大普奔,都不用手算了,心算都能算个大概,船长很满意,水手也有更多时间喝酒。

    由于地球不是完美的球,又囿于测量工具的误差,各地测得的海里并不相同,因而节的数值也不同。各国长期使用自己定义的海里,各自略有区别。1929 年的第一届国际水文会议将一海里统一为 1852 米,但直到 1954 和 1970 年,美国和英国才分别采用了这一标准,也就形成了我们目前使用的、世界公认的海里和节。

    因此现在测航速用的绳子,结的间隔应为 28 秒×1852 米 /3600 秒=14.4 米。

    ------------------------------ 分割线 ---------------------------------

    有朋友说还是不明白如何测量。看了下面这个视频你就啥都懂了:

    [​IMG]实际中使用 chip log 测量船速。https://www.zhihu.com/video/1413244130294751232

    视频转自Measuring boat speed with actual knots (a chip log)

    其中清晰可见,使用塑料制作的“圆木片”是半圆形,用三根绳索固定,并汇集到一根绳上。投入水中后圆木片由于配重,插入水中,受到阻力并拖着辊轴上的绳子自由放出。此时便开始计时(喊“Go”的时候),并累计绳结数量。时间到后(喊“Time”的时候)第 4 个绳结快要放出,因此船速差不多是 4 节。为了缩短绳子的长度,也为了缩短测量时间,视频中使用 10 秒计时,因此绳结的距离应当是 10 秒×1852 米 /3600 秒,约为 5.14 米。视频上传者说绳结的长度是 17 英尺,约为 5.18 米,可能是出于便于制作的缘故。

    阅读原文
     
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