第一节　载运工具

载运工具是为人的出行、货物的运送和信息的传递提供便利的载体，是对人类行走、运物和信息传送能力的一种补充、拓展和延伸。载运工具是载运体系的执行部件。

载运工具通常划分为运输类载运工具和通信类载运工具。

一、运输类载运工具

运输类载运工具为人的出行、货物的运送提供便利。按其发挥作用的领域又可以划分为三大类：水上载运工具、陆地载运工具和空中载运工具（图2-1）。

（一）水上载运工具

水上载运工具是利用水的流动或通过螺旋桨、喷射水流在水中的推力而在水面或水中行驶的载运工具，包括：船舶、水上飞机、潜水器和水上移动平台。

1.船舶

船舶按其用途或大小有多种称谓：民用船一般称为船，军用船称为舰，小型船称为艇或舟。船舶内部主要包括容纳空间、支撑结构和排水结构，利用外在或自带能源的推进系统；外形一般采用利于克服流体阻力的流线性包络；船体材料随着科技进步不断更新，早期为木、竹、麻等自然材料，现代多是钢材以及铝、玻璃纤维和各种复合材料。

按航行状态通常可分为：排水型船舶、非排水型船舶。

（1）排水型船舶

排水型船舶按用途分为：客轮、货船（用于货物输送，如油船、散货船、集装箱船等）、客货船（兼货物输送与旅客输送）、救助作业船（用于海上救护）、工程船（包括打捞船、科考船、维护工程船等）、指航船（用于指明航道）、渔船。

（2）非排水型船舶

非排水型船舶包括：滑行艇、水翼船和气垫船。

①滑行艇：在水面上高速运动时处于滑行状态的小艇。滑行时只有部分艇底与水接触，阻力降低显著。在民用方面，有游艇、客艇、赛艇等类型。

②水翼船：船身底部设有支架，装上水翼。当船的速度逐渐增加时，水翼提供的浮力会把船身抬离水面，从而大幅减少水的阻力来增加航行速度，可以高速航行。

拓展：水上载运工具的发展

水上载运工具的演进大致可划分为五个时期：

①人力作为航行动力时期。远古人类利用树枝、葫芦等物作为浮具，成为人类最早使用的水上载运工具。

②石器时代起，人类逐渐以舟筏作为运输、狩猎和捕鱼的工具。

③风力作为航行动力时期。进入青铜器时代后，各类木船和帆船不断出现。帆船时代几乎延续了近五千年。

④机械力作为航行动力时期。1807年，美国人首次在“克莱蒙特”号船上用蒸汽机驱动装在两边的明轮，在哈德逊河上航行成功。从此，机械力开始替代自然力，船舶的发展进入新的发展阶段，船壳也逐步由木制变为铁制和钢制。

⑤进入20世纪，开始进入现代水上载运工具时代——载重量、速度和自动化程度逐步提升，分化出许多专业的船舶，一些新的船式如水上飞机、气垫船、水翼船出现。图2-2所示为竹筏和水上飞机。

③气垫船：利用高于大气压的气体在船底与支承表面间形成气垫，使全部或部分船体脱离支承表面而高速航行。

2.水上飞机

水上飞机是指能在水面上起飞、降落和停泊的飞机，主要用于海上巡逻、反潜、救援和体育运动、旅游、通勤、航拍等。

3.潜水器

潜水器是具有水下观察和作业能力的活动深潜水装置，具有海底采样、水中观察测量，以及拍摄录像、照相、打捞等功用。

4.水上移动平台

水上移动平台利用充气产品或其他易于在水上漂浮的物料制成的构筑物。通常用于构造水上乐园。目前，已有设计师开始探讨利用水上移动平台的原理设计水上漂浮房屋。

拓展：荷兰建筑师提出水上漂浮房屋方案

Koen Olthuis设计的水上漂浮房屋见图2-3，他采用乐高积木的概念，让每一栋漂浮房屋都可跟任何其他的漂浮房屋连接扣合，创造能够漂浮的社区。当洪水来临时，整个社区就能一起安全地漂浮在水面上。这种多元的建筑形式为都市的组成创造了自由性。其可移动性更打破了建筑既往驻在固定地的概念。

漂浮房屋考虑采用水层温差发电、水层储能与潮汐发电作为能量的来源。

（二）陆地载运工具

陆地载运工具分为两大类：水平向载运工具和垂直向载运工具。

1.水平向载运工具

水平向载运工具包括三大类：道路载运工具、铁路载运工具和其他水平向载运工具。

（1）道路载运工具

道路载运工具包括：人及据以骑乘的各种动物；由动物牵引的各种车、撬和由人力驱动的滑板、独轮车、撵和脚踏车（自行车）；利用燃料、电或其他能源作动力，通过轮胎在道路上行驶的各种车辆，如汽车、无轨电车、摩托车等。

①人：人类的双脚是最古老的载运工具。人们在学会运用任何一种载运工具之前靠双脚行走。步行方式上的改进通常都来自足履（鞋子）的进步。鞋子使人们能够走得更远，在更冷的气候下出行以及穿越更崎岖的地形。

②动物：牛、马、驴、骡子、骆驼、大象等都是可以供人骑行，或驮运货物的载运工具。

拓展：鞋子是最古老也是永恒使用的载运工具

木屐[图2-4（a）]可以算是最古老的鞋子之一，自发明至今不少于三千年，在隋唐两代就已在城乡普及。唐代由我国传入日本的木屐，至今仍与和服配套，成为婚礼、庆典等重大礼仪活动必不可少的服饰。但目前在中国，几乎已无人穿木屐。

国外已经有人发明了可以自动行走的鞋子[图2-4（b）]，也可以视作一种自行车——只需给出口令，鞋子就可自行，而且可以自我平衡且无须用手操控。这特别适宜于截肢者或站立有困难者。

③畜力车：依靠畜力（主要指牛、马、驴、骡子、狗等）牵引的人造车辆。

④滑板：主要由板面、砂纸、桥（支架）、轮子、桥端螺母、桥钉、缓冲垫、轴承等组成。

滑板运动是冲浪运动在陆地上的延伸。

⑤自行车：自行车（Bicycle，意为两轮车）又称脚踏车或单车，是一种以人的脚踩踏板为动力的小型两轮车辆，在中国、新加坡通常称其为“自行车”或“脚踏车”；而在日本称为“自転（转）车”。自行车种类很多，有单人自行车、双人自行车和多人自行车。

⑥汽车：汽车（Automobile，意为“自动车”）是指不依靠轨道或架线，使用自身动力装置驱动，能够快速而机动运用的轮式车辆，一般有4个或4个以上车轮。主要用于：载运人员和货物、牵引载运人员和货物及某些特殊用途。

按照《汽车和挂车类型的术语和定义》（GB/T 3730.1—2001），汽车分为两大类：乘用车和商用车。

其中，乘用车是指主要用于载运乘客及其随身行李和临时物品的汽车，包括驾驶人在内最多不超过9个座位，也可牵引一辆挂车。轿车、旅行车属于乘用车。商用车用于载运人员和货物（乘用车不包括在内），并且可以牵引挂车。客车、货车等属于商用车。

通常将汽车按用途划分为如下几种类型：轿车、客车、货车、专用（特种）汽车（如赛车、消防车、挖掘和装载机、危险货物车辆）、越野汽车、工矿自卸汽车、农用汽车和牵引汽车等。

拓展：最早的自行车和会飞的自行车

1.最早的自行车

最早的自行车[图2-5（a）]据说是法国人西夫拉克发明的。他于1790年在玩具木马腿上安装了两个轮子，人骑在木马上用脚交替蹬地向前滑行。没有车把，也没有车闸，两个轮子一前一后装在托架上，靠骑车人两脚蹬地所产生的推力前进。

2.会飞的自行车

2013年，英国发明家发明了一款飞行自行车[图2-5（b）]。使用生物燃料，最高可飞至1219m，速度最快可达40.23km/h；车把是闪光灯，含氙气，黑暗中3km外的人也可看见。

按动力来源，汽车可分为燃料汽车、电动汽车、太阳能汽车和油电混合动力汽车。

拓展：汽车发展简史

18世纪中叶，瓦特改良了蒸汽机。1769年，法国人古诺制造出世界上第一辆蒸汽驱动的三轮汽车（吉诺挂车）。1804年，托威迪克设计并制造出一辆蒸汽汽车。为改进蒸汽发动机，雷诺在1800年制造出一辆与燃料在外部燃烧的蒸汽机所不同的发动机，让燃料在发动机内部燃烧。1855年，戴姆勒制造出世界上第一辆以汽油发动机为动力的四轮汽车。进入20世纪，特别是当福特在1908年开始以流水装配线制造和销售T型车后，汽车便不再是一种奢侈品。1907年仅有25000辆汽车，1914年达到50万辆，1975年突破3亿辆，至今已经超过7亿辆。预计到2020年，达到12亿辆。

发展到今天，汽车的性能、形制和规模都有了根本的改变。速度不断提升，艺术气息不断增加，安全性能不断提升、自动化程度不断提高。

过去一个世纪，汽油为汽车提供动力，但产生环境污染问题。将来，将出现更多元化动力的汽车，如使用清洁燃料（压缩天然气、生物柴油和乙醇等）、无污染燃料（氢气）的汽车，电动汽车，太阳能汽车，油电混合动力汽车等；随着智能技术的普及应用，无人驾驶汽车也即将普及。正在研制中的特斯拉无人驾驶汽车，用户可以从任何地方召唤，上车后可以自由阅读、睡觉或做其他事情。也许，未来汽车完全成为一个多媒体交往平台。

⑦无轨电车：无轨电车（Trolleybus）是一种通常由架空接触网供电、电动机驱动，不依赖固定轨道行驶的车辆。有些国家和地区（如日本），无轨电车属于轨道交通的范畴。

无轨电车的车身和底盘一般与普通客车相同，但车顶需要安装一对受电杆，用于从接触网的一对触线受电并形成电流通路。一般来说，无轨电车的受电杆脱线则会失去动力；而装备有动力蓄电池、超级电容器或柴油发电动机的双动源无轨电车，则可在没有架空接触网的路段实现离线行驶。

一般情况下，无轨电车无须进行轨道铺设及对道路路面进行改造，也不需要建设信号系统。

⑧摩托车：是由汽油机驱动，靠手把操纵前轮转向的两轮或三轮车，广泛用于巡逻、客货运输等，也用作体育运动器械。分为：街车、公路赛摩托车、越野摩托车、巡航车、旅行车等。

现代摩托车产业运用了大量先进技术，如光通信电子控制、雷达测距自动控制、电子地图导向、声波电子消声等，使摩托车变得更加完美。

（2）铁路载运工具

铁路载运工具是一种依靠车辆外部的轨道进行导向，以钢轮和钢轨为行走系统，通过自身装备的动力装置驱动（通常使用电力驱动）沿轨道行驶的车辆。其构成包括：车体、转向架、驱动装置、牵引缓冲装置、制动装置、交流装置、车辆内部设备、车辆电气系统。通常由若干车辆编组形成列车。

铁路载运工具广泛地应用于城市间的客货运输、城市内和市郊的公共交通。前者通常称为铁路客货列车，后者统称为城市轨道车辆。

①铁路客货列车：铁路客货列车分为两种类型——轮轨列车和磁浮列车。

a.轮轨列车：分为普通客货列车、高速列车和重载列车三种。

•　普通客货列车：是由机车牵引若干辆挂车组成的旅客或货物列车。我国旅客列车分为软卧车、硬卧车、软座车、硬座车、餐车、行李车和邮政车，每辆车的定员由32人到120人。货物列车由棚车、敞车、平车、罐车、冷藏车等车辆组成。

•　高速列车：是指能以高速度持续运行的列车，最高行驶速度一般要达到200km/h以上。

中国铁路概念体系里，先有广义快速列车系列（最高时速160km的非动车组列车），2007年4月中国铁路第六次大提速把时速高于最高速度的直达特快列车称为动车组列车，因此中国高速列车的时速起点不低于160km。CRH（China Railway High-speed）系列是中国铁路高速列车系列，是时速不低于200km的动车组列车。

•　重载列车：一般是指在货运量到达集中的运输线路上采用大型专用货车编组，采用双机车或多机车牵引开行的一种超长、超重的货物列车。重载列车车辆载重力大，编挂辆数多。

2014年4月，由中国铁路总公司在大秦铁路组织实施的3万吨重载列车运行试验取得成功。

拓展：超级高铁

2013年，美国的埃隆·马斯克（Elon Musk）提出超级高铁（Hyperloop）计划：超级高铁可以1200km的超高时速远距离运送乘客。

超级高铁（图2-6）以“真空钢管运输”为原理进行设计：以铝制的胶囊为输运舱（尾部有涡轮提供动力），用磁悬浮技术悬浮在真空钢管中，然后像发射炮弹一样将它发射到目的地；该系统能利用太阳能发电。由于避免了轮子与轨道之间的摩擦力，输运舱时速可达1200km，乘坐超级高铁从洛杉矶到旧金山，只要30min，而从北京到纽约，只需要2h，仅为直达航班时间的1/6。

早在1904年，美国就已有学者提出“真空管道运输”的设想。

目前有学者对此计划提出质疑。学者周顺华认为：铁路的运行目的是承载旅客，其最高运行加速度有一定限制，一般高铁的纵向加速度不能超过1m/s2；高铁加速太快会出问题。还有学者指出，如果在几千公里的运行中，万一某一个地方失去真空怎么办？或者如何在几千公里中完全实现真空？

b.磁浮列车：是“用磁力悬浮的车辆”（Magnetically Levitated Trains）的简称。其原理是：利用常导磁铁或超导磁铁产生的吸力或斥力使车辆浮起，并通过电磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向，再利用直线电动机产生的电磁力牵引列车运行。

磁浮列车按悬浮方式分为三种：电磁吸引式悬浮（EMS）、永磁力悬浮（PRS）和感应斥力悬浮（EDS）。其中，EMS式利用导磁材料与电磁铁之间的吸引力（绝大部分悬浮采用此方式）；PRS式利用永久磁铁同极间的斥力（一般产生斥力为0.1MPa，其缺点为横向位移存在不稳定因素）；EDS式依靠励磁线圈和短路线圈的相对运动得到斥力（列车要有足够的速度才能悬浮起来，大约为100km/h，所以它不适用于低速）。

②城市轨道车辆：是城市轨道交通最大、最复杂的单体设备。

拓展：磁浮列车发展简史

1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔（Hermann Kemper）提出了电磁悬浮原理，继而申请了专利。20世纪70年代以后，随着工业化国家经济实力不断增强，为提高运输能力以适应其经济发展和民生的需要，德国、日本、美国等国家相继开展了磁浮运输系统的研发。其中，德国和日本取得了世人瞩目的成就。

我国第一列磁浮列车（采用德国的磁浮技术）2003年1月开始在上海运行（图2-7）。2016年5月6日，中国首条具有完全自主知识产权的中低速磁浮商业运营示范线——长沙磁浮快线开通试运营。该线路也是世界上最长的中低速磁浮运营线。

2004年，中国西南交通大学开始真空管道高速交通系统的研究。2011年，研发出世界第一套“真空管道磁浮车实验系统”——全球第一个同时结合真空管道、磁浮及线性驱动的完整真空管道试验设备；2013年3月，研制出最初的高温超导磁悬浮（HTS）测试环线，后来再加入真空管道，成为世界上首个真空管道运输（ETT）系统；2014年，建成真空管道超高速磁浮列车原型测试平台（不过碍于实验环线的半径仅有6m，当时测试车辆的最高速度只达到50km/h）。

城市轨道车辆种类较多：标准轮轨车辆（也称传统轮轨车辆）、单轨车辆、自动导轨车辆、直线电动机车辆、胶轮车辆（在传统轮轨车辆的基础上增设胶轮走行系统或采用两侧导向同时保留钢轮轨走行系统而构成）、磁浮车辆（中低速）。

a.标准轮轨车辆：主要包括地铁车辆和轻轨车辆两种，轨距均为1435mm。车辆可以划分为A、B、C三种型号，分别对应3m、2.8m、2.6m的列车宽度。相应地，A型或B型车通常称为地铁车辆，采用5～8节编组列车；C型车通常称为轻轨车辆，采用2～4节编组列车。列车的车型和编组决定了车轴重量和站台长度。

轻轨车辆与传统的有轨电车（Tram）相比，两者所需电压、车体类型、编组都有很大不同。而且，前者通常拥有专有路权（信号、月台等），必要时也可以混行；后者多数与其他载运方式在城市道路混行。

b.单轨（Monorail）车辆：包括悬挂式和跨座式两种（图2-8）。与传统轮轨车辆相比，除车厢内部设置相似外，车辆的体型、走行机构都有很大的不同。

悬挂式车辆悬挂于轨道梁下方行驶。轨道梁为下部开口的箱型钢梁，车辆走形轮与导向轮均置于箱型梁内，沿梁内设置的轨道行驶。

跨座式车辆骑行于轨道梁的上方，车辆除底部的走形轮外，在车体的两侧下垂部分尚有导向轮和稳定轮，夹行于轨道轮的两侧，保障车辆沿轨道安全行驶。

拓展：单轨交通的起源

据历史记载，英国人亨利·帕默尔（Henry Palmer）在1821年首先发明了可以用马牵拉骑行于木制轨道上的跨座式单轨车辆。依据这项发明，1824年英国在伦敦码头，曾建造过一条供运货的单轨交通系统。

蒸汽机问世后，1888年法国人查尔·拉里格（Charle Larligne）设计建造了一条长约15km客货两用，以蒸汽机作为牵引动力，采用多节车辆编组的跨座式单轨交通系统。这条线路持续运营36年。

1898年，布鲁塞尔博览会推出采用电力牵引的单轨车辆；同年，法国人奥根·兰根（Eugen Langen）为德国鲁尔地区的伍铂塔尔（Wuppertaler）市设计建造了可悬挂车辆于拱形刚构架的纵梁底部，采用电力牵引和钢轨钢轮走行系统的单轨交通系统。该系统于1903年建成，在第二次世界大战中遭受破坏，于1946年修复后使用至今，100多年来运送乘客超过17亿人次。

c.自动导轨（Automated Guideway Transit，AGT）车辆：车辆体型小于一般轨道车辆，车体支承在两个单轴转向架上，由转向架上的电动机驱动走行轮，并以独设的水平导向轮导向，使车辆按确定的线路并控制在板条形轨道上安全行驶。走行轮和导向轮均为橡胶车轮，车辆的运行由计算机系统全自动控制。

这种车辆主要在美国、日本和法国等国家使用。多数应用于解决机场登机厅与机场主楼之间、游乐场所、博览会及一些新开发社区内部，以及城市中运量走廊的出行需求。

d.索轨（Cable Transit，CT）车辆：有点类似普通索道上的缆车。与索道缆车相比，索轨车辆最大的区别在于车辆自身带有动力系统，索轨是固定不动的，车辆由人工或自动控制系统驾驶自主行驶，而且可以编组成列运行。与一般轨道车辆相比，它的转向架等走行系统设置在车体顶部，车辆悬挂在索轨下行驶，可以比较容易越过地面的多种障碍。

e.直线电动机车辆（Linear Motor Car）：由直线电动机牵引、轮轨导向、车辆编组运行在小断面隧道及地面和高架专用线路上。

直线电动机车辆具有车身矮、重量轻、通过小半径曲线和爬坡能力强等优点，可以轻便地钻入地下，爬上高架。

直线电动机车辆目前已在广州和北京城市轨道交通中得到应用。

拓展：直线电动机

直线电动机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。它可以看作是一台旋转电动机沿其径向剖开，并展成平面而成。

直线电动机有如下特点：一是直线电动机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大幅下降；二是直线电动机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，大幅提高整个系统的定位精度；三是容易做到动子用磁浮支撑，使得动子和定子之间始终保持一定的空隙而不接触，这就消除了定子、动子间的接触摩擦阻力，因而大大提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是直线电动机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，使用寿命长。

20世纪80年代，加拿大成功开发了直线电动机驱动的新型轨道车辆（图2-9），成为世界上最早采用直线电动机驱动轨道车辆的国家。

直线电动机轨道车辆具有爬坡能力强、转弯半径小、维修少、运行平稳等优点。缺点是能耗高。国外直线电动机轨道车辆载客量和尺寸都不大；广州地铁4号线是世界上第一条采用中大运量的直线电动机轨道车辆的线路。

（3）其他水平向载运工具

其他水平向载运工具包括各种自动人行道、物料传送带等。

①自动人行道：是带有循环运行（板式或带式）走道，用于水平或倾斜角不大于12°输送乘客的固定电力驱动设备。按结构形式可分为踏步式自动人行道、带式自动人行道和双线式自动人行道。

自动人行道通常用于车站、码头、商场、机场、展览馆和体育馆等人流集中的地方。

自动人行道的结构与自动扶梯相似，主要由活动路面和扶手两部分组成，其倾角为0°～12°，输送长度在水平或微斜时可至500m，输送速度一般为0.5m/s，最高不超过0.75m/s。

②物料传送带：主要用于企业内部、企业之间甚至城市之间的物料搬运。传送带按有无牵引件分为两大类：有牵引件传送带和无牵引件传送带。

有牵引件传送带种类繁多，主要有：带式输送机、板式输送机、小车式输送机、刮板输送机、埋刮板输送机、斗式输送机、斗式提升机、悬挂输送机和架空索道等。

无牵引件传送带常见的有辊子做旋转运动输送机、螺旋输送机。

③管道：主要用于输送流体物资。其工作原理是：通过压力差使管道内的流体从高压处向低压处流动。

管道通常用于由生产地向市场输送石油天然气、化学产品和煤浆等，以及城市内部的企业或建筑物之间输送各种流体物质、能源和信息。

城市内部的各种管道，按其用途可分为三大类：输送流体物资管道、输送电力管道、输送信息管道。其中，用于输送流体物资的管道有各种热力管道（输送：蒸汽、热水、凝结水、废气）、燃气管道（输送：煤气、天然气、液化石油气）、气体管道（输送：压缩空气、氧气、氮气、乙炔气、氢气、二氧化碳气、高纯气体等）、供水管、排水管（雨水、污水）；用于输送电力的管道有电缆沟（架空电线属于一种特殊的电力管道）；用于输送信息的管道有电信管沟（含广播电视管沟）。

目前，还在研究和开发的管道包括水力管道、风动管道、集装胶囊管道、管道旅客运输系统等。

拓展：世界上最早的公共供水系统是古罗马引水渠

第一条古罗马建的引水渠是暗渠，全长16km，建造时间是公元前310年。公元前144年建设了第一条引水明渠（图2-10），全长90km，其中空架桥部分长度为16km。古罗马建设了超过10条引水渠，每天可供应14万t水。目前部分渠道仍在发挥作用。

2.垂直向载运工具

垂直向载运工具主要包括：电梯、起重机。

（1）电梯

电梯是一种以电动机为动力，设有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物的升降机，分为垂直式和台阶式两类。

垂直式电梯具有一个轿厢（其尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物），运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。按速度可分为低速电梯（1m/s以下）、快速电梯（1～2m/s）和高速电梯（2m/s以上）。

台阶式电梯的踏步板装在履带上连续运行，俗称自动扶梯。

（2）起重机

起重机（又称吊车）是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。有轮胎起重机和履带起重机两种类型。其中，轮胎起重机的行驶驾驶室与起重操纵室合二为一、是由履带起重机演变而成，将行走机构的履带和行走支架部分变成有轮胎的底盘，克服了履带起重机履带板对路面造成破坏的缺点。

拓展：电梯、起重机的出现

1.电梯

19世纪中期开始出现液压电梯，至今仍在低层建筑物上应用。1852年，美国的E.G.奥蒂斯研制出用钢丝绳提升的安全升降机；19世纪80年代，驱动装置进一步改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒、采用平衡重等；19世纪末，采用了摩擦轮传动，大大增加了电梯的提升高度。

20世纪末，电梯采用永磁同步曳引机作为动力，大大缩小了机房占地，具有能耗低、提升速度快等优点，极大地助推了城市向超高层方向发展。

目前，蒂森克虏伯电梯公司已研制出新型“多重电梯”，可水平垂直运转。

2.起重机

公元前10年，古罗马建筑师维特鲁维斯曾在其建筑手册里描述了一种起重机械。这种机械有一根桅杆，杆顶装有滑轮，由牵索固定桅杆的位置，用绞盘拉动通过滑轮的缆索，以吊起重物。有些超重机械可用两根桅杆，构成人字形，把吊起物横向移动，但幅度很小，操作也十分吃力。到15世纪，意大利发明了转臂式起重机，才解决这个问题。这种起重机有根倾斜的悬臂，臂顶装有滑轮，既可升降又可旋转。直到18世纪，人类所使用的各种起重机械还都是以人力、畜力为动力的，在起重量、使用范围和工作效率上很有限。

18世纪中后期，英国瓦特改进和发明蒸汽机之后，为起重机械提供了新的动力条件。1805年，格兰工程师伦尼为伦敦船坞建造了第一批蒸汽起重机。1846年，英国的阿姆斯特朗把新堡船坞的一台蒸汽起重机改为水力起重机。

（三）空中载运工具

空中载运工具分为飞行式和固定式两大类。前者指在地球表面30km高度以下的稠密大气层内飞行的各种飞行器；后者指索道缆车、摩天轮等。

1.飞行式空中载运工具

飞行器可按轻于空气和重于空气进行分类。前者包括气球、飞艇；后者包括飞机、滑翔机、直升机等。

（1）气球

气球是充满空气或某种气体的一种密封袋。如果气球足够大，里面气体又轻于同体积的空气，产生的浮力超过气囊和附带物体（如吊篮，热气球等）的重量时，气球就可上升，因此它可用来运载观测仪器和乘客。只装载设备的无人气球经常用于对高空大气环境的科学研究，有时也用于测定宇宙射线。

拓展：气球的发明

公元二世纪或三世纪，最早的热气球天灯在中国发明，被用来传递军事信号。学者李约瑟指出，公元1241年蒙古人曾经在李格尼兹（Liegnitz）战役中使用过龙形天灯传递信号；法国的蒙哥菲乐兄弟于1783年向空中释放欧洲第一个内充热空气的气球；法国的罗伯特兄弟是最先乘充满氢气的气球飞上天空的。

1772年的冬天，法国里昂的蒙哥菲尔兄弟坐在壁炉前烤火，一股浓烟向炉顶冲上去。哥哥看着，突然产生一个念头：要是做个口袋，把烟装进去，不就可以让口袋飞起来吗？于是兄弟俩找来绸子，缝成一个口袋，再把口袋装上烟，口袋真的升起来了——这便是人类最早出现的气球。

后来，蒙哥菲尔兄弟经过10年的努力，终于在1783年把一个巨大的热气球送上了天空（图2-11）。

（2）飞艇

飞艇由流线型艇体、位于艇体下面的吊舱、起稳定控制作用的尾面和推进装置组成。艇体的气囊内充以密度比空气小的浮升气体（氢气或氦气）以产生浮力使飞艇升空。吊舱供人员乘坐和装载货物。尾面用来控制和保持航向、俯仰的稳定。大型飞艇可以用于运输、娱乐、赈灾、影视拍摄、科学实验等。

现代飞艇一般都是软式飞艇，通过气囊中氦气压力来保持外形。其主要组成部分有：①气囊，由涤纶、聚酯纤维等人造材料织成，里面充满了氦气以提供升力；②辅助气囊，位于飞艇内部，可通过在飞行中的充气和放气来控制和保持飞艇的形状和浮力；③吊舱，位于飞艇下方的舱室，包括驾驶舱、发动机和人员舱（当有人驾驶飞艇时）；④推进装置，为飞艇起飞、降落和空中悬停提供动力；⑤尾翼、方向舵和升降舵，为飞艇提供机动能力。

（3）飞机

飞机是由一具或多具发动机的动力装置产生前进的推力或拉力，由机身的固定机翼产生升力，在大气层内飞行的重于空气的固定翼航空器。按照其使用的发动机类型可分为喷气飞机和螺旋桨飞机，按照用途分为民用飞机和军用飞机。

民用飞机除客机和运输机以外还有农业机、森林防护机、航测机、医疗救护机、游览机、公务机、体育机、试验研究机、气象机、特技表演机、执法机等。

（4）滑翔机

滑翔机大多是没有动力装置，重于空气的固定翼航空器，可由飞机拖曳起飞，或用绞盘车或汽车牵引起飞，也可从高坡下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称为滑翔。在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高，通常称为翱翔。

滑翔机主要用于体育运动，分初级滑翔机和高级滑翔机。前者主要用于训练飞行，后者主要用于竞赛和表演，有的还可以完成各种高级空中特技，如翻跟斗和螺旋等。

拓展：人会飞、汽车会飞将不再是梦

1998年，新西兰人格伦·马丁（Glenn Martin）想到了个人飞行背包[图2-12（a）]的主意，并于2008年在美国一次航空展上小试身手。2011年5月21日在新西兰测试飞行背包性能：一名模拟飞行员背上飞行背包，以243.8m/min的速度攀升至1500m高处，持续飞行9.75min，飞行速度达101.4km/h，最后成功实施紧急降落。可以设想：城市中使用飞行背包的第一类人群是从事急救的医疗人员；把摄影器材放在它们上面拍摄交通状况；人们用它去娱乐或上班。

2009年3月，美国一家名叫“脱离地球”的公司生产出的“会飞汽车”[图2-12（b）]圆满地完成了首次试航。这款车的车身和一般汽车相似，但是车门多了两个可折叠的翅膀。在陆地行驶的时候，翅膀折叠；飞行的时候，翅膀就会张开，如同变形金刚一样，在很短的时间内变成一架小型飞机。据报道，当“会飞汽车”在陆地行驶的时候，最高时速能达到150km左右，飞行时速接近200km。

（5）直升机

直升机由机体和升力（含旋翼和尾桨）、动力、传动三大系统以及机载飞行设备等组成。旋翼一般由涡轮轴发动机或活塞式发动机通过由传动轴及减速器等组成的机械传动系统来驱动，也可由桨尖喷气产生的反作用力来驱动。当前实际应用的是机械驱动式的单旋翼直升机及双旋翼直升机，其中又以单旋翼直升机数量最多。

直升机的最大时速可达300km以上，俯冲极限速度近400km/h；实用升限可达6000m（世界纪录为12450m）；一般航程可达600～800km（携带机内、外副油箱转场航程可达2000km以上）。

直升机主要用于观光旅游、火灾救援、海上急救、缉私缉毒、消防、商务运输、医疗救助、通信以及喷洒农药杀虫剂消灭害虫、探测资源等。

拓展：直升机的发明

中国的竹蜻蜓和意大利人达芬奇的直升机草图，为现代直升机的发明提供了启示。它们被公认为直升机发展史的起点。

竹蜻蜓[图2-13（a）]又称飞螺旋和“中国陀螺”。有人认为，中国在公元前400年就有了竹蜻蜓，其实公元1500年前的奇肱飞车就是一架无动力的放大了的竹蜻蜓。竹蜻蜓还有一个特性就是当它插在竹筒中被侧风吹动旋转时，它也能上升。

现代直升机[图2-13（b）]的飞行原理与竹蜻蜓有相似之处。现代直升机的旋翼就好像竹蜻蜓的叶片，旋翼轴就像竹蜻蜓的那根细竹棍儿，带动旋翼的发动机就好像人们用力搓竹棍儿的双手。竹蜻蜓的叶片前面圆钝，后面尖锐，上表面比较圆拱，下表面比较平直。当气流经过圆拱的上表面时，其流速快而压力小；当气流经过平直的下表面时，其流速慢而压力大。于是上下表面之间形成了一个压力差，便产生了向上的升力。当升力大于它本身的重量时，竹蜻蜓就会腾空而起。

2.固定式空中载运工具

固定式空中载运工具包括缆车和摩天轮两种类型。

（1）缆车

缆车是由驱动机带动钢丝绳，牵引车厢沿着铺设在地表并有一定坡度的轨道上运行，用以提升或下放人员和货物的运输机械。它多用作工矿区、城市或风景游览区的载运工具。

根据本领域专业命名规则，车辆和钢绳架空运行的缆车设备，定义为架空索道。而车辆和钢绳在地面沿轨道行走的缆车设备定义为地面缆车。

拓展：世界上第一个城市缆车公共交通系统

哥伦比亚第二大城市麦德林市，于2004年颁布了一项通过城市更新把缆车系统整合到城市机体中去的政策，并安装了世界上第一个城市缆车公共交通系统（图2-14）。

在这座300万人口的城市中添加城市缆车为公共交通设施是一种非常创新的思维。第一条城市缆车线，联通了市中心与贫困、交通不便的东北方区域。东北方区域在20世纪末是整个城市最密集的人口聚居区，平均每公顷有400户住户。尽管这个区域有常见的公交车和一定数量的出租车，但是极窄的道路使得外部车辆很难进入。第一条缆车线起因于贫困地区民众对于社会发展的愿望和不断上升的出行需求。现在该城市有三条投入使用的缆车线，另有三条在规划中（其中，两条用于城市公共交通系统，另一条作为旅游线连接到城市边缘的自然保护区）。

（2）摩天轮

摩天轮是一种大型转轮状机械，挂在轮边缘的是供乘客乘搭的座舱。最常见的摩天轮存在的场合是游乐园（或主题公园），在其他场合则通常作为活动的观景台使用。

（四）通信类载运工具

通信类载运工具可以划分为三大类：电信类载运工具、邮政类载运工具和媒介化空间。

1.电信类载运工具

从电磁技术引入通信开始，人们尝试使用电话、电报传真，到成规模地建造各种电信网络，并创造了各种数字通信、光纤通信、移动通信、网络通信技术。

拓展：古代的通信类载运工具

具有代表性的古代通信类载运工具有如下几种：

①喇叭：最简单、最原始的喇叭筒就是双手围成喇叭形放在嘴前。

②鼓：将兽皮蒙在框架或容器上制成，可以通过击鼓将声音传递出去。

③烽火台：利用火与烟传递信息。古代有“幽王烽火戏诸侯”的典故。

④长跑：将人作为信息的载体，传递信息。马拉松长跑项目原是为了纪念一位希腊军队传令兵跑完42195km报捷而牺牲的英雄。

⑤驿站：通过骑马将文书一个驿站接一个驿站地传递下去，通常以骑马每小时奔跑15km左右的速度传递信息。

⑥风筝：在古代是传递信息和侦察的用具。

⑦信鸽：将文书绑在信鸽腿上，甚至作为军队的一种通信兵种（如瑞士军队训练了一种能双向投书的信鸽），其优势在于即使电磁辐射导致各种电子通信工具瘫痪，信鸽仍可传递信息。

⑧信猴：将母猴和子猴分别关于两地，并通过带母猴寻找子猴让母猴熟悉路线，有需要时通过母猴寻找子猴的方式将信息传递到子猴所在地。

⑨灯塔：在灯塔里燃烧木材，利用它的火光指引航向。最早的灯塔建于公元前7世纪，现存的灯塔建于1611年。在所有的古老灯塔中，建于1304年的意大利莱戈恩灯塔仍在使用。

⑩通信塔：由18世纪一位法国工程师研制出，由建立在巴黎和里尔230km之间的若干个通信塔组成。在这些塔顶上竖起一根木桩，木桩上安装一根水平横杆，木桩可以转动，并能在绳索的操作下摆动形成各种角度。

（1）电报传真

①电报：是利用电流（有线）或电磁波（无线）作载体，通过编码和相应的电处理技术实现远距离传输与信息交换的通信方式。

电报发明于1837年，2006年美国停止使用电报。

②传真：是将文字、图表、相片等记录成纸面上的静止图像，通过扫描和光电变换，变成电信号，经各类信道传送到目的地，在接收端经过一系列逆变换过程，获得与发送原稿相似记录到副本的通信方式。

由于电子科技的迅速发展，电子网络传真逐渐取代传真机。

（2）电话

电话是通过电能和声能相互转换，并利用“电”作为媒介来传输语言的一种通信技术。具有代表性的电话是：固定电话、移动电话、可视电话。

①固定电话：通常固定在某个位置，通过声音的振动利用话机内的话筒调制电话线路上的电流电压，也就是将声音转换为电压信号通过电话线传送到另外一端，再利用送话器将电压信号转换为声音信号。

固定电话有好几种，如传真电话、母子电话等。

②移动电话：是一种便携式终端（所以手机的学名叫“个人手持移动终端”），由美国贝尔实验室在1940年制造的战地移动电话机发展而来。

目前，移动电话不仅可以通话，拍照、听音乐、玩游戏，还可以实现包括定位、信息处理、指纹扫描、身份证扫描、条码扫描、RFID扫描、IC卡扫描以及酒精含量检测等丰富的功能。

移动电话既可以一对一通话，也可以一对多通话（主要在政府、企业内部使用，如保安、工厂调度、出租车调度等）。

③可视电话：是用可见的方式进行远程通话，其构成包括网线、屏幕、摄像头等。通常用于会议、娱乐、监控、远程教学、远程医疗等。

（3）网络通信

网络通信是通过网络将各个孤立的设备进行连接，通过信息交换实现人与人、人与计算机、计算机与计算机之间的通信。其常用工具包括：计算机、电子邮件、即时通信。

拓展：可视电话发展及关键技术

早在20世纪五六十年代就有人提出可视电话的概念：利用电话线传输语音的同时传输图像。1964年，美国贝尔实验室正式提出可视电话的相关方案。但是，由于传统网络和通信技术条件的限制，可视电话一直没有取得实质性进展。直到20世纪80年代后期，随着芯片技术、传输技术、数字通信、视频编解码技术和集成电路技术不断发展并日趋成熟，适合商用和民用的可视电话才得以走向人们的视野。1990年9月15日，我国第一次可视业务在北京市电信局与上海市电信局间开通。

编解码芯片技术是可视电话发展的关键。语音和图像在传输时，必须经过压缩编码—解码的过程，而芯片承担着编码解码的重任，只有芯片在输出端将语音和图像压缩并编译成适合通信线路传输的特殊代码，同时在接收端将特殊代码转化成人们能理解的声音和图像，才能构成完整的传输过程，让通话双方实现声情并茂的交流。

长期以来，由于没有统一的行业标准，各个厂家的可视电话不能互通，影响了可视电话市场的拓展。在协议标准不统一的情况下，只有用户购买了同一型号的可视电话才能达到“可视”效果。图2-15所示为某种型号的可视电话。

①计算机：在通信网络中用于接入互联网，涉及多种通信方式：电子邮件、网络传真、即时通信、网络电话、办公自动化、呼叫中心、电子商务等。

②电子邮件：是企业办公自动化的基础，也是个人用户最青睐的互联网应用之一。可以单发也可以群发，几乎没有传递成本（除了宽带费用以外不需要邮筒和邮差），是广告推销、信息发布的首选平台。

③即时通信：是一种通信软件，包括QQ、微信、Skype、淘宝旺旺等。这些软件通常还带有其他信息频道，如游戏、购物、广告等。

（4）家电中的通信工具

目前，电视机是最普及的家电中的通信工具。未来通过芯片或模块植入，通过有线、无线或者电源线与通信网络连接，都可以实现远程控制、监控家电的目的，使得冰箱、空调、微波炉、汽车、音响、煤气灶都可以成为通信工具。

（5）可穿戴设备

可穿戴设备是能够直接穿在身上，或整合到用户的衣服或配件的一种便携式设备，通过软件支持以及数据交互、云端交互来实现强大的功能。

可穿戴设备将会对人们的生活、感知带来很大的转变。例如，可以通过测试心率、血压，随时了解自身的健康状况——与自身进行交流沟通。

随着智能家居等一系列借助网络连接的智能生态系统的成型，智能可穿戴设备作为离人最近的通信工具，在担负起用户数据收集的同时，更多地扮演一个控制终端的角色，是将“人物联网化”的重要一环。

拓展：可穿戴设备

可穿戴设备几乎可以完全依靠人体的自然动作实现操作，比如Google Glass的眨眼拍照。随着云计算的快速发展，可穿戴设备将给用户带来极其强大的数据统计能力。可以想象，不用点击任何按键，眨眨眼就可以看到想看的内容；站在商场里就可以知道哪家商店进行打折等，仿佛自己真有了超能力一般。

一块微小的芯片就能让人们掌控其房子、车子、手机等各种设备，并且感觉不到任何重量的负担，而控制这些仅需要挥挥手。可穿戴设备是帮助人们延伸感官功能，发展身体的第六感、第七感的重要手段（图2-16），能够帮助人们更好地认知世界，体验更舒适的生活。

2.邮政类载运工具

邮政类载运工具主要是邮政车。

邮政车是经营寄递各类邮件（信件或物品）的通信部门将邮件及时安全地送达用户手中的一种专用车。

有些国家的大城市在道路堵塞，邮车不能保证运输时，也利用埋在地下的气压管道输送邮件。

3.媒介化空间

城市的各种构成要素如场所、通道、载运工具等，以其特定的形态特征、内容赋予和场景展现，成为传递特定信息的媒介——承载城市文化、政治、经验等信息的“文本”。人们可以依其对空间进行编织，对城市进行全景式扫描，或立足于某一地点解析空间的城市性特征。

媒介化空间包括两大类：固定式媒介化空间和移动式媒介化空间。

其中，固定式媒介化空间通常指道路及建（构）筑物的屋顶、墙面、内部设施。例如，道路的牌匾、户外广告牌、橱窗广告，路面铺装（具有广告元素特征的铺装）、夜间照明（具有广告元素特征）、站场内部广告屏幕。移动式媒介化空间通常指车辆、气球等载运工具的外表。

拓展：智能路牌Points——一种全新传递特定信息的空间化媒介

纽约布鲁克林的一家设计公司，在当地树立了一种新型的智能路牌Points（图2-17）。它的三支指向臂不仅可以360°旋转，上面的LED显示屏还可以根据路人的需要而显示不同的内容，包括公交信息、餐馆、演唱会等附近的地点/活动及相应的距离，或者推特、滚动新闻、天气等生活资讯。

这个高9英尺（1英尺≈0.3048m）、旋转半径3英尺的智能路牌，控制面板部分用五个按钮代替。按钮旁边的类别还可以在不同的时间内对应不同的内容：例如，早上可指示附近的早餐店、校车接送的地点；中午可以指示观光景点和购物点；晚上则可查询演出活动、特价卖场的信息。当然，像交通、用餐、天气等与游客、市民息息相关的内容，自然是少不了的。

Points所显示的信息并不是读取存储装置中预先录取的信息，而是通过目前各种热门应用和服务的API获取信息，例如，Foursquare上的签到、商家资料，RSS订阅信息，谷歌的地点、交通信息。只要触发查询，它就能立刻反应，即时返回需要的信息。