Scotland Falkirk Wheel Originate from LEGO Go back to LEGO
苏格兰 福尔柯克轮 从LEGO到设计 从奇妙到LEGO科普
大江之上水坝上下两侧，或是不同落差的运河之间等，通常采用船闸（Navigation Lock）实现船舶在上下游的通航。船闸是一厢形构筑物，由上游和下游引航道，上游和下游闸首，及闸室组成。闸室是停泊船舶的厢形室，关闭上游、下游闸首的闸门后，形成相对封闭的空间，此时向闸室内注水或排水，调整闸室中的水位，并最终与上游或下游的水位相同，使船舶垂直升降，通过航道中的水位落差。
当船舶从下游向上游航行时，船舶首先驶入下游引航道，闸室排水，其水位降至与下游水位齐平，然后开启下游闸首的闸门，船舶行驶进入闸室，关闭闸门，向闸室内注水，待水位升髙到与上游水位齐平后，开启上游闸首的闸门，船舶行驶出闸室，并通过上游引航道驶向上游。当船舶由上游向下游航行时，行驶流程与此相反。
当上下游水位落差较大时，采用多级船闸实现船舶的通航。
Falkirk Wheel 是一种设计巧妙的不同落差运河间的船舶通航装置，其不同于传统的船闸通航，是一种轮式提升或降低装置，具备运行时间短、耗能低等特点。三年前，Camellia Café 在央视的纪录频道，萌识了这套奇妙的装置；两年前，Camellia Café 通过LEGO积木模拟；今年，Camellia Café 踏上传奇的苏格兰土地，实地考察。
Falkirk Wheel 位于苏格兰（Scotland）的Falkirk小镇，处于苏格兰首都爱丁堡（Edinburgh）和苏格兰另一大城市格拉斯哥（Glasgow）之间，连接着 Union 运河和 Forth and Clyde 运河，其中 Union 运河向东通向爱丁堡，并最终通向苏格兰东部的北海（North Sea）； Forth and Clyde 运河向西通向苏格兰西部的爱尔兰海（Irish Sea），其分支通向格拉斯哥；Union 运河高于 Forth and Clyde 运河34米。Falkirk Wheel的建立，连通了苏格兰的东西海岸。
风笛（bagpipe）、格子呢短裙（kilt）、生命之水威士忌（whisky）、《哈利波特（Harry Potter）》、还有苏菲·玛索（Sophie Marceau）和梅尔·吉布森（Mel Gibson）主演的《勇敢的心（Braveheart）》这部第68届奥斯卡最佳影片…… 都能立刻勾起你对苏格兰的点点印象，苏格兰不仅有独特的高地风光、不仅有斯图亚特王朝玛丽女王（Mary, Queen of Scots）的浪漫爱情传奇，不仅有它和英格兰的悲欢离合史，还有苏格兰启蒙（Englightment）运动的大卫·休谟（David Hume），还有《道德情操论》和《国富论》的亚当·斯密（Adam Smith），还有詹姆斯·瓦特（James Watt）和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）等等我们熟知的科学家，更有享誉世界的爱丁堡艺术节…… Falkirk Wheel 又是其当代科技文明的一个璀璨明珠。
先把 United Kingdom、Great Britain、England、Scotland 等一些词汇搞清楚吧。其实 “ 英国 ” 只是我们国内简单的叫法，其全名为 “ 大不列颠及北爱尔兰联合王国 ” ，即 United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland，简写为United Kingdom，主要包括英格兰 England 、苏格兰 Scotland 、威尔士 Wales 和北爱尔兰 Northern Ireland ，及一些海外领地。而 Great Britain，仅是指大不列颠岛上的英格兰 England 、苏格兰 Scotland 和威尔士 Wales 。英联邦 Commonwealth of Nations 则是一个国际组织，由53个独立主权国家包括属地所组成，成员大多为前英国的殖民地或者其保护国。
话题回到苏格兰的 Falkirk 小镇，我搭乘火车抵达这里，苏格兰的火车站大多没有安全检查及其他工作人员，乘客全凭自觉购票、进站乘车，往来火车频次很高，就如同公交车一样，乘客在火车站台等候，根据需要搭乘火车，仅在火车上，会有工作人员查票。车厢内有无线网络，有专门的自行车停靠空间，还有静音车厢等。英国的火车系统也正在实现电子客票，下载铁路公司的App，可以在线购票，生成二维码，火车上的工作人员扫码完成验票工作。
下了火车，走出站台，寻找去往 Falkirk Wheel 游客中心的公交车。英国国民素质极高，虽然凭借 Google Map 已经很好地导航，我仍问了当地的一位老奶奶具体的公交乘坐路线，老奶奶表示不知道具体的线路，正好她要乘坐的公交到来了，我表示不便打扰，请她先行乘车，老奶奶上车后，主动地帮我询问了她公交上的司机，耐心的司机热情地为我说明了具体的乘车方法，我感激地向司机和老奶奶分别说了声 Thank you very much。
得到确切的指引信息后，我搭乘7路公交，一路上，即使在小镇里，因为修路造成双向车道临时变为单向车道，两车会车时，所有的司机都是非常的礼让，从不抢道。20多分钟后，公交车抵达 Falkirk Wheel 游客中心。下车前，我仍不忘向司机说声 Thank you 。在英国，下公交车时，乘客向司机说声谢谢是基本的习惯。当然谢谢的说法不只是 Thanks ，英国人还说 Cheers ，我们通常认为 Cheers 是“干杯”的意思，但在当地， Cheers 还有“谢谢”和“问候”的含义，地道的英语还是需要来本土学习。
开始介绍技术主题，通过 Falkirk Wheel 的结构和运行方式等方面来呈现这套奇妙的装置。
结构
Structure
Falkirk Wheel 是一个直径为35米圆形轮的一部分，其两端形似凯尔特人（Celtic）的斧子。整个轮可以围绕其中心的直径为4米的轴，在垂直平面内对称旋转。轮两端各有一个直径为8米的圆形开洞，每个开洞内安装了长度为25米的水槽，其中心轴的长度为27米。每个水槽的本体质量大约为50吨，水槽所容纳的水和船舶的质量大约为250吨，因此整个轮的每侧质量大约为300吨。
当 Falkirk Wheel 旋转至垂直位置时，其上侧的开洞（水槽）正好与上游的引航渡槽（Aqueduct）在同一水平面，其下侧的开洞（水槽）正好与下游的引航水池（Basin）在同一水平面，上、下游的船舶可以分别从 Union 运河或 Forth and Clyde 运河驶入对应的水槽。
转矩平衡
The Balance of Torsional Moment
Falkirk Wheel 需要动力驱动其围绕其中心的轴转动，这里采用液压马达驱动，后文将详细介绍。
Falkirk Wheel 逆时针转动时，其所受的转矩如下，并根据右手定则确定其转矩的方向，这里规定纸面外侧为正向。
转矩1：左侧水槽及其内部的水和船舶引起的转矩 M1 = G1 x cos α x r ，正向。
转矩2：右侧水槽及其内部的水和船舶引起的转矩 M2 = G2 x cos α x r ，反向。
转矩3：电机转矩 Mmotor ，正向。
转矩4：摩擦力等引起的转矩 Mfriction ，反向。
Mmotor + M1 – M2 – Mfriction = 0
当没有船舶进入两侧的水槽时，由于其两侧水槽的结构完全相同，其两侧注满（或等同液位）水后，两者的重力完全相等，由于整个轮相对其中心轴对称，因此其转矩大小相等，方向相反，M1 = M2。
当有船舶进入两侧的水槽时，情况又如何呢？当两侧水槽驶入两只同样质量的船舶时，很简单，M1 = M2 依然成立，但当两侧水槽驶入的船舶的重量或船舶的数量不相等时，M1 = M2 还成立吗？下文来揭晓答案。
阿基米德定律
Archimedes’ Principle
对，正是阿基米德定律（Archimedes’ Principle）和 Falkirk Wheel 的整体设计保证了 M1 = M2 始终成立。
当 Falkirk Wheel 旋转至垂直位置时，船舶驶入上侧水槽，驶入的船舶，会引起水槽内水位的升高，由于水槽与上游的引航渡槽保持连通，两者的液位最终会保持一致，因此水槽内的水流向上游的引航渡槽，由于上游的引航渡槽的体积远远大于水槽，最终的平衡状态的液位，可以认为是与引航渡槽之前的液位相同，即船舶驶入引起的水的外排，全部流向了引航渡槽。把水槽看作一个独立体，根据阿基米德定律，排出的水的质量等同于船舶的质量，由于重力加速度一定，因此水槽的重力保持不变。
同理，下侧的水槽因为船舶的驶入，其向下游的引航水池排水，排出的水的质量也等同于船舶的质量，水槽的重力也保持不变。
由此可见，船舶的驶入，不会改变水槽的重力。当然船舶的质量不能无限大，前提是水槽内的水产生的最大浮力可以托起船舶。如果大型船舶通航，就需要修建更大的 Falkirk Wheel 。
综上，只要始终保持两侧水槽的液位相等，就可以实现 M1 = M2 。
由于上侧水槽的液位与上游的引航渡槽的液位保持相等，下侧水槽的液位与下游的引航水池的液位保持相等，因此需要保证上游的引航渡槽的液位和下游的引航水池的液位一致。
Falkirk Wheel 整体设计时，就保证了上游的引航渡槽和下游的引航水池具有相同的深度，实际中由于引航渡槽或引航水池大量停泊其他船舶、降雨等因素的影响，Falkirk Wheel 还引入了液位反馈控制系统，通过液位变送器分别检测上游的引航渡槽和下游的引航水池的液位，并敷设排水管线，安装水泵，通过注水或排水调节水位，保证两者的液位差在75mm之内。
运行方式
Operation
在这个两端为凯尔特人斧形的 Falkirk Wheel 中，有5个相互咬合的外齿齿轮（cog）依次连接，其中心和两端是三个大齿轮，直径都为8米，中间是两个直径相同的小齿轮。
Falkirk Wheel 的中心轴与中心的大齿轮同心。轴的驱动是靠其内部的另一个直径为4米的内齿轮来实现的，这个内齿轮内部有10个小型外齿轮，10个小齿轮分别由10部液压马达驱动，并通过内外齿轮的咬合，使直径为4米的内齿轮旋转，带动轴的转动，并实现整个 Falkirk Wheel 的转动。
直径为8米的中心的大齿轮是固定在 Falkirk Wheel 上游引航渡槽的支柱上的，而不在 Falkirk Wheel 上，是不随轮转动的，而两端的大齿轮是安装在Falkirk Wheel上，其随 Falkirk Wheel 一同转动（rotate），并同时引起自转（turn），自转方向与 Falkirk Wheel 转动方向相反。两个小齿轮也是安装在 Falkirk Wheel 上，其也随 Falkirk Wheel 一同转动（rotate），也同时自转（turn），自转方向与 Falkirk Wheel 转动方向相同，并在自转的过程中，通过外齿与其两边的大齿轮咬合。
Falkirk Wheel 两侧的开洞内水槽的底部装有车轮，可以在其开洞内部沿着光滑的导轨滑动，由于开洞和两侧的大型外齿齿轮同心，整个结构对称，两侧的大齿轮同时自转，因此在 Falkirk Wheel 转动过程中，两个水槽始终能保持与地面的平行，即其内部液面的水平。
综上，当 Falkirk Wheel 运转到垂直位置时，上、下两侧的水槽、上游的引航渡槽和下游的引航水池分别开启闸门，上、下游的船舶分别驶入对应的水槽，液位分别平衡后，关闭闸门，隔离水槽，Falkirk Wheel 旋转180度后，开启对应闸门，船舶驶出水槽，分别进入下游的引航水池和上游的引航渡槽，实现了船舶在不同落差运河的航行
耗时和功耗
Time and Power
Falkirk Wheel 旋转180度（半圈）仅需要5分钟，加上船舶驶入（loading）、驶出（uploading）水槽的时间，通常15分钟就实现了船舶在有落差的运河间的通航。
由于船舶、水槽的转矩平衡 M1 = M2 ，
Mmotor + M1 – M2 – Mfriction = 0
简化为：
Mmotor = Mfriction
采用轴承和润滑等方式，使摩擦阻力较小，因此 Mmotor 较小。因此驱动液压马达的电机系统的总功率很低。
Falkirk Wheel 旋转180度（半圈），即实现一次上、下游船舶的切换，仅需要消耗5.4MJ的能量，这仅相当于把8壶2L水从20℃烧开所需要的能量。
4.2 x 1000 x 2 x 1 x (100 - 20) x 8
= 5.376 MJ
由于每次电机系统仅需要运行5分钟，考虑电机效率等因素，电机系统的总功率仅为22.5kw。
省时和节能是 Falkirk Wheel 的最大特点。
Falkirk Wheel 最初的设计灵感就源于创作者 Kettle 的 8 岁女儿的 LEGO 玩具，从 LEGO 到初创设计，今天 Camellia Café 再从奇妙的实景回到LEGO科普，来看看展示 Falkirk Wheel 原理的 LEGO 模型吧。
一次考察，一次DIY，是眼界的开阔，是心情的放松，是历史和文化的探究，是知识和文明的求索，小熊的可爱，情怀的升华…… Camellia Café 带您开启研学之旅。
