燈塔

Praia da Barra的燈塔葡萄牙西海岸
南非南部海岸附近羅馬岩石燈塔的空中無人機鏡頭。

燈塔是塔樓,建築物或其他類型的物理結構,旨在從燈和鏡頭系統中散發出光線,並作為海上海上飛行員在海上或內陸水道上的海上飛行員

燈塔標誌著危險的海岸線,危險的淺灘礁石,岩石和安全的港口條目;他們還協助航空航行。一旦被廣泛使用,由於維護的費用,運營燈塔的數量下降了,並且自從更便宜,更複雜,更複雜和有效的電子導航系統出現以來,已經變得不經濟。

歷史

古老的燈塔

西班牙西北部的大力神燈塔塔

在開發明確定義的港口之前,水手是在山頂上建造的火災的指導。由於升起大火將提高可見度,因此將大火放在平台上成為導致燈塔發展的做法。在上古時,與許多現代燈塔不同,燈塔的作用比港口海角的警告信號更像是港口的入口標記。來自古代的最著名的燈塔結構是埃及亞歷山大法羅斯,在公元956年至1323 CE之間發生了一系列地震後,埃及瓦羅斯(Pharos)倒塌了。

西班牙科魯尼亞赫拉克勒斯的完整塔可以深入了解古老的燈塔建築。關於硬幣和馬賽克的描述,有關燈塔的其他證據也存在,其中許多人代表了奧斯蒂亞的燈塔。也存在來自亞歷山大,奧斯蒂亞和敘利亞的老撾的硬幣。

現代建築

燈塔的現代時代始於18世紀初,由於跨大西洋貿易貿易量更高,建造的燈塔數量大大增加。結構工程和新的高效照明設備的進步允許創建更大,更強大的燈塔,包括暴露在海中的燈塔。燈塔的功能逐漸從指示端口變為對岩石或礁石等運輸危害的可見警告。

Jaaziell Johnston的原始Winstanley Lighthouse ,Eddystone Rock,1813年。

埃迪斯通(Eddystone)岩石是乘坐英國頻道航行的水手們的主要危險危險。在那裡建造的第一個燈塔是一個八角形木結構,由岩石中的12個鐵支柱固定在1696年至1698年。 。

土木工程師約翰·史密頓(John Smeaton)從1756年至1759年重建了燈塔;他的塔在燈塔的設計中邁出了一大步,並一直使用到1877年。他使用花崗岩塊在橡樹樹上的燈塔形狀建模。他重新發現並使用了“液壓石灰”,這是一種混凝土,將在羅馬人使用的水下設置,並開發了一種使用燕尾尾關節和大理石銷釘將花崗岩塊一起固定在一起的技術。儘管Smeaton還必須將塔的厚度逐漸變細,但他為頂部彎曲了塔的厚度,但他在溫和的梯度上向內彎曲了塔。該輪廓具有額外的優勢,即使波浪的某些能量在與牆壁的撞擊中消散。他的燈塔是現代燈塔的原型,影響了所有後來的工程師。

約翰·史密頓(John Smeaton)的重建版本的埃迪斯通燈塔(Eddystone Lighthouse) ,1759年。這代表了燈塔設計邁出的巨大一步。

羅伯特·史蒂文森(Robert Stevenson)是一個這樣的影響力,他本人是燈塔設計和建築發展的開創性人物。他最大的成就是1810年建造了貝爾岩燈塔,這是該時代最令人印象深刻的工程壯舉之一。該結構基於Smeaton的設計,但具有多種改進的功能,例如旋轉燈的結合,在紅色和白色之間交替。史蒂文森(Stevenson)在北部燈塔委員會(Northern Lighthouse Board)工作了近五十年,在此期間,他設計和監督了眾多燈塔的建設和改進。他在選擇光源,安裝,反射器設計,菲涅耳鏡頭的使用以及旋轉和關閉系統的選擇中進行了創新,從而為燈塔提供了單個簽名,從而可以由海員識別。他還發明了可移動的臂和平衡機作為燈塔建築的必要部分。

Marjaniemi Lighthouse ,19世紀的Hailuoto島的燈塔,芬蘭Oulu的鄰近城市

亞歷山大·米切爾(Alexander Mitchell)設計了第一個螺丝杆燈塔- 他的燈塔建在被入沙質或泥濘海床的樁上。他的設計的建設始於1838年的泰晤士河河口,被稱為Maplin Sands Lighthouse,並於1841年首次點亮。儘管其建造開始了,但蘭開夏郡Fleetwood的Wyre Light是第一個點燃的人( 1840)。

照明改進

直到1782年,照明的來源通常是木樁或燃燒的煤炭。瑞士科學家AiméArgand於1782年發明的Argand Lamp通過穩定的無菸火焰徹底改變了燈塔照明。早期的型號使用了有時會在燈芯周圍著色的地面玻璃。後來的型號使用了懸浮在火焰上的二氧化th or thor披風,從而產生了明亮,穩定的光線。 Argand燈使用鯨魚Colza橄欖油或其他植物油作為燃料,由安裝在燃燒器上方的儲層的重力飼料提供。該燈首先由馬修·布爾頓(Matthew Boulton)於1784年與Argand合作製作,並成為一個多世紀的燈塔的標準。

南陸燈塔是1875年成功使用電燈的第一座塔。燈塔的碳弧形燈是由蒸汽驅動的磁電機供電的。約翰·理查森·韋格姆(John Richardson Wigham)是第一個開發燈塔氣體照明系統的系統。他在都柏林附近的Baily燈塔上改善的氣體“鱷魚”燃燒器的功能是最輝煌的光。

直到1976年,一個85毫米(3.3英寸)Chance Brothers白熾燈蒸氣裝置Sumburgh Head Lighthouse產生了光。通過變性的酒精(甲基化精神)燃燒器將蒸發器加熱到光。點燃時,一些蒸發燃料被轉移到Bunsen燃燒器上,以保持蒸發器的溫暖和蒸氣形式。燃料被空中迫使燈到達燈;飼養員必須每小時左右每小時泵送空氣容器,從而將石蠟容器加壓以將燃料迫使燈到燈。如圖所示的“白色襪子”是蒸氣燃燒的未燃燒的地幔。

蒸發油燃燒器是由Arthur Kitson於1901年發明的,並由Trinity House的David Hood改進。燃料在高壓下蒸發,並燃燒以加熱地幔,使輸出的發光度是傳統油燈的亮度的六倍。隨著瑞典工程師GustafDalén的發明,使用氣體作為照明劑廣泛使用。他使用底物的Agamassan (Aga)吸收氣體,使氣體儲存,因此可以安全地使用。 Dalén還發明了“日落閥”,該閥自動調節了光線並在白天將其關閉。從1900年代到1960年代,當電燈占主導地位時,這項技術是燈塔中主要的光源。

光學系統

圖表描繪了球形菲涅耳透鏡如何准直

隨著Argand燈的穩定照明的發展,光透鏡的應用增加和聚焦,光強度成為一種實際可能性。威廉·哈欽森(William Hutchinson)於1763年開發了第一個實用的光學系統,被稱為cat式系統。這個基本的系統有效地將發出的光直接塗成濃縮的光束,從而大大提高了光的可見度。聚焦光線的能力導致了第一個旋轉的燈塔梁,隨著一系列間歇性的閃光燈,光線會出現在水手們身上。也有可能使用光閃光燈傳輸複雜信號。

法國物理學家兼工程師奧古斯丁·吉恩·弗塞內爾(Augustin-Jean-Jean Fresnel)開發了用於燈塔的多部分菲涅耳鏡頭。他的設計允許建造大光圈和較短焦距的鏡頭,而沒有傳統設計鏡頭所需的質量和材料量。在某些情況下,菲涅耳透鏡可以比可比的傳統鏡頭更薄,以平坦的床單的形式。菲涅耳透鏡還可以從光源捕獲更多的傾斜光,從而使配備有一個燈塔的光在更大的距離內可見。

1823年在Gironde河口河口的Cordouan Lighthouse中使用了第一個菲涅耳鏡頭。可以從20多英里(32公里)外看到它的光。 Fresnel的發明使燈塔燈的發光度增加了四倍,他的系統仍在使用。

現代燈塔

電氣化和自動燈更換器的引入開始使燈塔飼養員過時。多年以來,燈塔仍然有守護者,部分原因是燈塔飼養員可以在必要時用作救援服務。海上導航和安全性的改善,例如衛星導航系統(例如GPS) ,導致全世界非自動化的燈塔逐步逐步淘汰。在加拿大,這種趨勢已經停止,仍然有50個人員燈站,僅西海岸就有27個。

剩餘的現代燈塔通常被一個固定的閃光燈照亮,該光線由安裝在鋼骨架塔上的太陽能電荷電池供電。如果電源需求太大而無法實現太陽能,則使用柴油發電機的循環充電:為了節省燃料並增加維護之間的周期,光線是電池供電的,只有在電池充電時才能使用發電機。

著名的燈塔建築商

約翰·史密頓(John Smeaton)設計了第三台也是最著名的埃迪斯通燈塔(Eddystone Lighthouse)的值得注意,但是一些建築商以建造多個燈塔的工作而聞名。史蒂文森家族(羅伯特艾倫大衛托馬斯戴維·艾倫查爾斯)在蘇格蘭建立了三代職業。理查德·亨利·布倫頓(Richard Henry Brunton)在日本明治時代設計和建造了26個,被稱為布倫頓(Brunton)的“孩子”。愛爾蘭盲人亞歷山大·米切爾(Alexander Mitchell)發明並建造了許多螺絲釘燈塔。英國人詹姆斯·道格拉斯(James Douglass)因在第四座埃迪斯通(Eddystone)燈塔上的工作而被封為爵士。

美國陸軍工程兵團中尉喬治·米德(George Meade)沿著大西洋和墨西哥灣沿岸建造了許多燈塔,然後在葛底斯堡戰役中獲得了勝利的成名。奧蘭多·坡( Orlando M.

法國商人海軍軍官馬里烏斯·米歇爾·帕夏(Marius Michel Pasha)克里米亞戰爭(1853– 1856年)的二十年內,在奧斯曼帝國的海岸沿線建造了近一百個燈塔。

技術

在燈塔中,光源被稱為“燈”(無論是電氣還是用石油燃料),如果需要,則將光集中到“鏡頭”或“光學”。 20-21世紀,燈塔的電源各不相同。

力量

Argand Hollow Wick Lamp拋物線反射器最初是由露天大火和後來的蠟燭點燃的,在18世紀後期引入了。

鯨油還與燈芯一起用作光源。煤油在1870年代變得流行,電力和碳化物(乙炔氣)開始在20世紀初開始取代煤油。碳化物是由Dalén的燈光推廣的,Dalén光自動在夜幕降臨時自動照亮燈並在黎明時熄滅。

冷戰期間,許多偏遠的蘇聯燈塔由放射性同位素熱電發生器(RTGS)提供動力。這些具有白天或晚上提供動力的優勢,不需要加油或維護。但是,在蘇聯分解後,沒有所有這些燈塔的位置或狀況的正式記錄。隨著時間的流逝,他們的狀況正在降解。許多人陷入了故意破壞和廢金屬盜賊的受害者,他們可能不知道危險的放射性內容。

節能LED燈可以由太陽能電池板提供動力,電池代替柴油發電機進行備份。

光源

許多需要更少維護的旋轉動探針取代了許多菲涅耳鏡頭的裝置。

在現代自動化的燈塔中,旋轉鏡頭的系統通常被高強度的光線所取代,該光線會發出短暫的全向閃光,將光集中在時間而不是方向上。這些燈類似於用於警告飛機高建築物的阻塞燈。後來的創新是“ Vega Lights”,並進行了發光二極管(LED)面板的實驗。

LED燈使用較少的能量且更容易維護的LED燈已經到2020年廣泛使用。在英國和愛爾蘭,大約三分之一的燈塔已從細絲光源轉換為使用LED,並且轉化持續約為3個。年。光源旨在盡可能接近傳統光的顏色和特徵。該地區的人們通常不會注意到這種變化,但是有時提議的更改會導致呼籲保留傳統光線,包括在某些情況下是旋轉光束。根據供應商的說法,旨在適合傳統19世紀菲涅耳鏡頭外殼的典型LED系統是由Trinity House和其他兩個燈塔當局開發的,費用約為20,000歐元,具體取決於配置。它有大量的鰭以散熱。 LED光源的壽命為50,000至100,000小時,而細絲源約為1,000小時。

激光燈

昆士蘭州點危險燈塔,1971年

激光燈的實驗裝置要么具有高功率,要么在天空中提供“光線”,要么利用低功率,針對水手們,已經確定了安裝和維護的複雜性增加以及高功率要求的問題。 1971年,在昆士蘭州的Point Danger燈塔上的第一個實用裝置在四年後被傳統的光線取代,因為光束太狹窄,無法輕鬆看到。

光特徵

在任何這些設計中,觀察者都沒有看到連續的弱光,而是在短時間間隔內看到更明亮的光線。這些亮光的瞬間被安排為創建特定於燈塔的光特徵或圖案。例如, Scheveningen燈塔閃光燈交替使用2.5和7.5秒。有些燈具有特定顏色的扇區(通常是由燈籠中的彩色窗格形成),以將安全的水域與危險的淺灘區分開。現代燈塔通常具有獨特的反射鏡或拉克發音器,因此光的雷達特徵也是獨特的。

鏡片

俄勒岡州的米勒斯角燈塔;一階菲涅耳鏡頭

在現代頻閃燈燈之前,使用鏡片將光集中在連續源中。燈的垂直光線被重定向到水平平面,水平的光線一次或幾個方向將光聚焦為一個或幾個方向,光束掃過。結果,除了看到光束的側面外,從更大的距離中直接可見光,並且具有識別光的特徵

通過旋轉透鏡組件來完成這種光的濃度。在早期的燈塔中,光源是煤油燈,或者更早的動物或植物油架子,而鏡片則由燈塔飼養員的重量驅動的發條組件旋轉,有時甚至每兩個小時每兩個小時。鏡頭組件有時漂浮在液態汞中以減少摩擦。在更現代的燈塔中,使用了電燈和電動機驅動器,通常由柴油發電機提供動力。這些還為燈塔飼養員提供了電力。

有效地將光集中在較大的全向光源中需要非常大的直徑鏡頭。如果使用常規鏡頭,這將需要非常厚的重鏡頭。菲涅耳鏡頭(發音為)聚焦在燈的光線中的85%,而20%的光線集中在當時的拋物線反射器上。它的設計實現了大尺寸和短焦距的鏡頭的構造,而無需傳統鏡頭設計中的材料重量和體積。

Fresnel Lighthouse鏡頭按訂單進行排名,該量度是折射功率的量度,第一階鏡頭是最大,最強大,最昂貴的鏡頭。第六階鏡頭是最小的。該順序基於鏡頭的焦距。一階鏡頭的焦距最長,第六個鏡頭最短。沿海燈塔通常使用第一,第二或第三階鏡頭,而港口燈和信標則使用第四,第五或第六階鏡頭。

一些燈塔,例如紐芬蘭開普敦( Cape Race )和夏威夷的馬卡普(Makapuu Point)的燈塔,使用了Chance Brothers公司製造的更強大的超級彈藥鏡頭

建築

成分

1800年代中期的燈塔燈籠室

儘管燈塔建築物因位置和目的而有所不同,但它們傾向於具有共同的組成部分。

一個輕型站包括燈塔塔和所有附屬建築,例如門將的居住區,燃油室,船屋和霧氣信號建築。燈塔本身由一個塔結構組成,該塔結構支撐著光線的燈籠房間。

燈籠房間是裝有燈和鏡頭的燈塔塔頂上的玻璃外殼。它的玻璃風暴窗格由垂直或對角線運行的金屬Muntins (玻璃棒)支撐。在燈籠室的頂部是一個防暴呼吸機,旨在消除燈的煙霧和在玻璃箱中造成的熱量。連接到金屬沖天盤屋頂的避雷針和接地系統為任何雷擊提供了安全的管道。

燈籠房間的立即通常是一個手錶或服務室,在這裡保存燃料和其他用品,守護者在夜間準備燈籠,經常站著觀察。發條(用於旋轉鏡頭)也位於那裡。在燈塔塔上,一個名為“畫廊”的開放式平台通常位於手錶室(稱為主畫廊)或燈籠室(燈籠畫廊)外面。這主要用於清潔燈籠室窗戶的外部。

彼此相近的燈塔通常以獨特的圖案繪製,因此可以在白天很容易識別它們,這是一種被稱為日標的標記。哈特拉斯角燈塔的黑色和白色理髮桿螺旋圖案就是一個例子。加拿大西部的Race Rocks Light用水平的黑色和白色樂隊繪製,以在地平線上脫穎而出。

設計

為了有效,燈必須足夠高才能在水手到達危險之前就可以看到。最小高度是通過三角學計算的(請參見到地平線的距離),其中H是腳以上的高度,而D是從燈塔到海平面的距離(燈塔範圍)的距離。

在危險的淺灘位於較遠的沙灘遠處,典型的高層砌體沿海燈塔的建造是為了協助導航員在海洋穿越後登陸。通常,這些是圓柱形的,可以減少風對高大結構的影響,例如披風可能會輕。這種設計的較小版本通常用作港口燈,以標記進入港口的入口,例如新倫敦港口燈

在存在高懸崖的地方,可以將較小的結構放在頂部,例如在霍頓點燈。有時,這樣的位置可能太高了,例如在美國西海岸,頻繁的低雲可能會掩蓋光​​線。在這些情況下,將燈塔放在懸崖上的下方,以確保在霧或低雲時期(如Reyes燈塔) ,仍然可以在表面看到它們。另一個例子是在加利福尼亞州聖地亞哥舊點洛馬燈塔太高了,經常被霧遮蓋,因此在1891年被較低的燈塔,新的洛馬燈塔(Loma Loma Lighthouse)取代。

隨著技術的發展,預製的骨骼鐵或鋼結構傾向於用於20世紀建造的燈塔。這些通常具有狹窄的圓柱芯,周圍環繞著開放的格子工作,例如芬蘭人點範圍的光

有時,燈塔需要在水本身中建造。波浪洗的燈塔是用於承受水影響的砌體結構,例如英國的Eddystone燈塔和加利福尼亞州的聖喬治礁光。在較淺的海灣中,將螺丝杆燈塔鐵件結構擰入海底,並將低木結構放在開放式框架上方,例如托馬斯角淺灘燈塔。由於螺釘樁可能會被冰瓦破壞,因此在寒冷的氣候中使用了鋼製的Caisson燈塔,例如東方點光東方長灘桿燈(蟲燈)是螺絲樁燈的混合物,由於冰損傷的威脅,該螺釘樁燈被轉換為凱森燈。骨骼鐵塔沿佛羅里達鑰匙沿佛羅里達礁建造,沿佛羅里達鑰匙建造,從1852年的Carysfort Reef Light開始。

在水中太深的傳統結構中,可以使用輕型船代替燈塔,例如前燈塔哥倫比亞。現在,其中大多數已被固定的輕型平台(例如Ambrose Light )所取代,類似於用於海上石油勘探的平台。

射程燈

新斯科舍省瑪格麗港的射程燈。當船隻在正確的路線上時,兩個燈在另一個燈光上對齊。

在陸地上對齊兩個固定點為導航員提供了一條名為“北美範圍”的位置線和英國的過境。範圍可用於精確地對齊狹窄的通道(例如河流)中的容器。有了一套固定的燈塔的地標,夜間導航是可能的。

這種配對的燈塔在北美被稱為射程燈,在英國的燈光中被稱為燈光。近的光被稱為燈塔或前範圍。進一步的光稱為後範圍。後範圍燈幾乎總是比正面高。

當容器在正確的路線上時,兩個燈垂直對齊,但是當觀察者脫離位置時,對齊的差異表示校正課程的旅行方向。

地點

阿根廷UshuaiaLes Eclaireurs燈塔
燈塔位於印度較高的土墩上

有兩種類型的燈塔:位於陸地上的燈塔,是近海。

離岸的燈塔是燈塔不接近土地的燈塔。可以建造這些燈塔的原因很多。距離陸地幾英里處可能會有一個淺灘礁石或淹沒的島嶼

目前的Cordouan Lighthouse於1611年完成,距海岸7公里(4.3英里)的小島,但建於以前的燈塔上,該燈塔可以追溯到880年代,是法國倖存最古老的燈塔。它通過堤道連接到大陸。倖存最古老的海洋離岸燈塔是蘇格蘭海岸附近的北海貝爾岩燈塔

維護

亞洲和大洋洲

澳大利亞,燈塔由澳大利亞海事安全局進行。

印度,燈塔由燈塔和燈塔局長(港口,運輸和水道辦公室)維護。

歐洲

蘇聯建造了許多由放射性同位素熱電發電機提供動力的自動化燈塔。他們長期操作,沒有外部支持,具有巨大的可靠性。但是,許多裝置惡化,被盜或破壞了。由於記錄不佳,找不到一些。

英國愛爾蘭共和國共同有三個屍體:三位一體之家,蘇格蘭和曼島島上的燈塔在英格蘭和威爾士海岸周圍都有燈塔,由北部燈塔委員會和愛爾蘭各地的愛爾蘭專員照顧。燈

北美

在加拿大,燈塔由加拿大海岸警衛隊管理。

在美國,燈塔由美國海岸警衛隊維持,1939年將美國燈塔服務合併到美國海岸警衛隊中。

保存

隨著燈塔對航行的至關重要,他們的許多歷史結構都面臨拆除或忽視。在美國,2000年的《國家歷史燈塔保護法》提供了將燈塔結構轉移給地方政府和私人非營利組織,而USCG則繼續維護燈和鏡頭。在加拿大,新斯科舍省燈塔保護協會贏得了薩姆布羅島燈塔的遺產地位,並贊助了《遺產燈塔保護法》 ,以改變加拿大聯邦法律以保護燈塔。

許多群體都是為了恢復和拯救世界各地的燈塔,包括世界燈塔協會和美國燈塔協會,以及業餘無線電燈塔協會,該協會派遣業餘無線電運營商宣傳全球偏遠的燈塔的保護。

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