如何向孩子解釋「潛艇在水下是如何導航的？」？

2022-05-20親子

殺馬特歌姬來沈陽了，虎哥趕去沈陽站給幾位送去好果汁，但他卻不知道路該怎麽走。

迎面走來一個重量級人物——刀哥，虎哥忙上前問路，得到的卻是刀哥一句

兩人呆滯的站在路邊，初夏燥熱的風兒吹過，尷尬是今天的沈陽大街。是的，虎哥迷路了。

人類歷史上，迷路不僅僅意味著尷尬，可能還意味著遺憾、失敗、受傷甚至死亡。從人們利用天上的星星確定方位開始，到現在漫天飛舞的導航衛星，為了不讓自己迷路，人類甚至把自己變成了天上的星星。

但和站在沈陽大街上的刀哥不同，潛艇的工作環境更為惡劣。用於傳輸衛星訊號的電磁波難以在水下傳播，因此潛艇在水下難以利用衛星定位來確定自己的位置。而出於隱蔽等原因潛艇也無法經常上浮來確定自己的定位。正巧兩人手機都壞了，和茫茫大洋中的潛艇一樣，他們都沒有辦法利用衛星導航。哎呀這個虎哥就是遜啦，這個刀哥也是個five，聰明的小朋友快出出主意幫幫他們吧。

「幫我的人，你一定要幸福啊啊啊啊啊啊」

1.指路的藝術——慣性導航

二人在路上漫無目的的走著，終於在五月古箏鋼琴私塾前碰到了一位儒雅隨和的東洋友人，經過一番唇槍舌劍後，終於給虎哥勾畫出一副去往沈陽站的王道征途。

虎哥的王道征途

一般來說從一個已知點出發，只要知道自己過去所有走過的路徑，就可以推斷出自己目前所在的位置，如果目的地的位置也已經確定的話，那接下來去往目的地的路徑也就有數了。如圖所示，只要虎哥能夠清楚地測量出他向東走了200公尺，又逆時針轉向45°後走了100公尺，那他就可以知道再逆時針轉向135°後走100公尺就可以到沈陽站了。潛艇在水下也可以透過類似的方式，從已知位置的港口出發，按照之前設計好的航線，將自己引向目的地。

海圖和航線

有些小朋友可能就會問了：「在海洋中如何才能知道自己走了多遠呢？」是啊，在海洋中又沒有衛星訊號，也不可能帶著尺子走一路量一路。為了解決這個問題，潛艇只能靠自己了，他們通常帶著慣性導航系統，這套系統主要工作的部份可以不透過與外界交換資訊來進行導航，因此屬於自主導航。慣性導航系統由兩個部份組成——加速計和陀螺儀，分別用來測量潛艇的加速度和姿態，經過一系列計算來確定潛艇走過的距離和朝向。

早期的慣性導航系統

大家在坐車時有沒有發現，當車輛在加速時，自己仿佛被按在了座位上，而當剎車時，自己又不受控制的向前倒，這是因為物體都有保持靜止或勻速直線運動的內容，也叫慣性。在研究這個問題時，可以引入一個假想的慣性力，根據二年級將會學到的牛頓第二定律，就可以求出這個慣性力的加速度，這個加速度的數值等於潛艇的加速度。有了加速度的變化，我們就可以求出各個時間點的速度，知道了速度和行駛的時間，我們就能求出潛艇走過的路程了。當然，這裏面需要用到四年級學的微積分知識，在這裏就不詳細說明了。

列車桌子上放著一個品質為m的小球，列車開動時，從列車外喵蕉君的視角來看小球沒有移動，但在車廂內的李田所看來小球發生了相對位移，就像有一個力在推著小球。所以在以車廂裏的視角研究時，我們可以假設一個「慣性力」（Fi）的存在，這時候小球由於慣性力產生的加速度和列車的加速度數值相等。

1852年法國的科學家傅科發現在高速旋轉中的轉子由於慣性作用其旋轉軸永遠指向一個固定方向，就像我們在玩陀螺時，不管怎麽觸碰，高速旋轉的陀螺永遠能夠恢復到直立於地面的狀態。根據這個特點，人們把高速旋轉的圓盤放在多軸的架子上，從而可以判斷潛艇的姿態。根據姿態並結合用加速計測量的加速度，我們就可以計算出潛艇旋轉的角度了。

陀螺儀的原理

透過上述兩個儀器的數據並經過計算，潛艇就可以知道自己走過的路徑，並配合航海地圖，就可以知道自己的位置了。但這種導航也會存在誤差，在動輒數百海裏的航程中誤差會放的很大，生活中所說的「鬼打墻」就是沒有修正誤差所造成的後果。所以在使用過程中需要加入不同的參數來修正計算結果，並配合其他導航方式相互印證。

「鬼打墻」，在漆黑的夜晚，由於缺少了視覺對誤差的修正，人們可能會偏離正確的方向（藍色剪頭），如果距離足夠長且不對誤差進行修正的話，人們就會回到原點（如圖虎哥的橙色路徑），造成一種「鬼」在身邊打了一圈圍墻讓你永遠走不出去的假象。右圖為遇見鬼打墻而迷惑的虎哥。

就這樣，虎哥來到了沈陽站站前廣場，但這時候他又犯了難了，該怎樣才能在偌大的廣場上找到殺馬特團長呢？

2.「應該就是這了」——地球物理導航

而在熟悉的地方，人們很少會靠著地圖和問路來為自己導航，我們長著一雙眼睛，只要我們透過肉眼來捕捉到周圍的特征，就可以知道自己在哪裏，在平行世界中，殺馬特團長曾利用這用方法找到了徒弟被偷襲的地方。在水下光沒有辦法傳播，但地球依然不同的地方依然有著不同的特征，潛艇透過攜帶的傳感器就能夠定位了。

中國附近海域的地磁場強度變化

地球上存在著磁場，但這個磁場是隨著緯度和周圍環境變化而變化的，只要我們有相關海域的磁場變化數據，就可以用磁定位系統得到的當地磁場數據與之比對，從而確定潛艇所在的位置，這種導航稱為地磁導航，同樣的方法也套用於重力場導航中。還有一種方法是利用海底地形輔助導航，利用聲吶得到海底地形的資訊來確定自己所在的位置。這種方法精度比較高，但需要前期做大量的地球物理資訊準備，當然在衛星系統發達的今天，用來做慣性導航的輔助還是比較方便的。

一套重力輔助導航系統的工作流程示意圖

正好剛才殺馬特團長在朋友圈裏發了一張照片，虎哥對著照片上的特征，成功找到了殺馬特團長，送出了自己珍藏已久的好果汁，可喜可賀。

「虎哥，這兒等你」

3.「全體目光向我看齊嗷」——聲學導航

送別殺馬特歌姬們以後，虎哥想要和全世界分享他的喜悅，他高舉雙臂，高聲叫道「全體目光向我看齊嗷。」在嘈雜的沈陽站，如果有足夠多的人在發出有特點的聲音，人們就可以用他來判斷位置。

「全體目光向我看齊嗷」

電磁波無法在水下長距離傳播，但是聲音可以。人們在海底固定的位置布設多個聲學應答器，並將其以一定圖形組成海底基陣，在這個基陣中的潛艇就可以測定到三個應答器的距離來確定自己的位置，這種方法被稱為長基線聲學定位。同時也可以反過來，在潛艇裏裝上三個接收器，只需要一個水下聲學信標，從而確定潛艇位置。不同的配制各有千秋，一般潛艇會裝上多種聲學定位儀器來確保精度。