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关键词:物理知识;生活;应用分析
引言
物理学科是自然科学的重要分支,与生活有着密不可分的联系。对物理课程的学习是我们从自然到物理、从生活到物理的认识过程,在学习物理的过程中,一定要经历基本的科学探究实践,注重物理学科与其他学科的融合,让我们的思维得到开拓。物理学理论是人类对自然界最基本、最普遍规律的认识和概括。因此,加强物理知识与生活实际的联系,对我们高中生学习物理知识、认知物理知识、运用物理知识都是极为重要的。加强两者的联系,不仅可以提高自己的学习兴趣,也可以增加物理学习的直观性,更具有对生活的指导意义,提升生活技能。
一、生活实际与物理的关系
在生活中,我们看到的很多现象都被归类为物理的方面,比如说树叶会漂在水上,而石头会沉入水底;氢气球可以飞上天,但吹出来的气球却会掉在地上;水往低处流;水底石穿的现象;航天员在月球行走是漂着走;冬天毛衣容易起静电;指南针的工作原理……这些生活中常常容易被忽略的小事情,却无一例外都可以用物理学的知识来解释,而我们高中生在学习物理的过程中,也正是对生活进行深入了解的过程。物理是最早的物理学家们对自然界的现象的总结,后来逐渐形成了物理这一专门的学科,物理科学家们研究的范围越来越广,也越来越深入,但物理还是从相对简单的现象入手的。物理和生活之间的联系,物理课本中就有很多生活化的小例子,但是,更多地与生活实际相联系,可以增加学习物理的乐趣,我们学习起来会更好理解,同样的,将我们学到的物理知识应用在生活中,也能够开发我们的创造力。
二、物理知识在生活中的应用
1、纳米技术
纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术。纳米技术在高中物理中,属于分子学的范畴,所以,了解纳米技术的应用,对我们学习分子学有很大的帮助。在生活中,我们经常接触到的纳米技术如下:
(1)在纺织和化纤制品中添加纳米微粒,可以除味杀菌。化纤布虽然结实,但有烦人的静电现象,加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。
(2)利用纳米材料,冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末,可以使废水彻底变清水,达到饮用标准。纳米食品色香味俱全,还有益健康。
(3)纳米材料可以提高和改进交通工具的性能。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料,能大大提高发动机效率,延长发动机工作寿命。
(4)利用纳米技术制成的微型药物输送器,可携带一定剂量的药物,在体外电磁信号的引导下准确治疗。纳米机器人,其体积小于红细胞,能疏通脑血管的血栓,清除心脏动脉的脂肪和沉淀物,还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。
2、车辆速度计
在我们高中物理第一册第二章《运动快慢的描述速度》中讲到速度计是来测定运动物体的瞬时速度,本文来解释一下它是如何来测定机动车的瞬时速度。
当车以一定的速度行驶时,对应着车轮的一定转速,这时经过变速机构也使软轴以一定的转速转动,从而由电磁感应使感应盘也转动,使指针偏转一定的角度,那么在刻度盘上对应的位置刻上对应的车子速度,由于指针的转动角度与感应盘的转动角度是相等的,而感应盘的转动与软轴的转动成正比,而软轴的转动与车轮的转速成正比,而车轮的转速完全与车速成正比,所以速度计上指针所指的速度值完全由汽车的行驶速度来决定,所以测出的速度就是这个时刻车子的瞬时速度。速度计中应用了很多的物理知识,电磁感应、力矩转动、力矩平衡及仪表的刻度刻制和实际数据的处理.这都是物理知识的应用和能力体现。
3、航天技术
针对航天技术学习高中物理力学,就是在充分利用教材上的航天技术的所有内容,了解我们所感兴趣的领域。我们在学习的时候,可以进一步充分利用各种媒体,获得大量的有关航天技术的资料,包括古代的,现代的,当代的,中国的,外国的,视频的,文字的,图片的,在此基础上进行删减,最终获得那些形象的,有趣的,励志的等等对我们学习高中物理力学有价值的资料,除了课堂上教师的讲解内容,我们还应该利用课外的时间多多关注一些航天技术,感受物理知识所带来的强大的力量,明白物理知识与实际生活的联系,与科技进步的联系。我们在学习的时候,要结合我们自己了解到的航天知识,在课堂上积极主动学习,勇于质疑,敢于挑战权威困。在航天技术中所应用到的力学知识如下:
(1)天体力学和轨道力学
为了开发宇宙,我们必须对各个行星的运动规律有进一步的认识。因此,必须用近代的力学知识进一步描述天体的运动规律。另一方面,为了节约能量,必须对各种航天器的轨道进行优化。关于这方面,我们可以举例子。比如AOTV,就是气动辅助变轨转移飞行器。大家知道,要改变航天飞行器的飞行轨道,需要很大的能量。有时几乎是做不到的。一些力学专家提出了一些新的想法,即利用航天器在再人大气层中所受的气动力,来改变飞行轨道,就可以节省许多能量。
(2)大气层飞行力学
大气层飞行力学的重点是空天飞机的上升段轨道优化。由于空天飞机使用吸气式组合发动机,在整个飞行过程中,它受到很大的阻力和气动加热。为了节省能量,必须对上升段的轨道进行优化。
(3)结构动力学
不论是航天器,还是运载器,都存在大量振动问题。例如,运载火箭的长细比例较大,就必须进行振动塔试验和结构动力学的计算。建造振动塔是非常费钱的。随着今后火箭直径的加大和长度的进一步增加,进行全尺寸的振动试验变得越来越困难。为此,必须在建立正确的模拟火箭结构的结构动力学模型,进行分析计算。运载火箭还存在一些复杂的振动现象,若处理得不好,就可能造成发射的失败。
结语
总之,物理知识在生活实际中的应用十分广泛。我们在学习的时候要理解物理知识的重要性,认识物理知识在当代社会中的重要作用,更要关注物理学的最新发展,坚持与时俱进,利用物理知识推动社会和谐发展,更好地造福于人类。
参考文献
国家电网馆
国家电网馆建筑主体是一个“能量块”,外立面“零能耗”,白天,它呈现出光影流动的效果:夜晚,它被“点亮”,星光迸射耀眼生辉。
展馆使用光导照明系统,将日光直接引入室内,为部分展区提供照明,节约馆内的电能供应:展馆还采用了“建筑自遮阳”、“增强型通风”、“水雾降温”等系统。充分体现了“低碳”新技术的运用。
中国船舶馆
中国船舶馆是在江南造船厂原址的一个厂房进行了重新优化设计和改造而成。展馆在长方形上增添了弧线构架,形似船的龙骨,突出船舶馆的企业形象,又形似龙的脊梁,借喻中国民族工业坚强的精神。
展馆设有“船史大道”,展示中国千年造船历史,其中还有明代郑和下西洋船只的模型再现:通过展示未来船舶――水城市、水世界,来体现新能源、新空间、新生活,探索地球可持续发展的情景和人类文明的新模式。
船舶馆的建设应用了最新的环保技术、智能化灯光的互动效果和先进的多媒体视觉技术,形成绿色环保展示环境。
中国航空馆
中国航空馆的建筑造型像一朵洁白的云,带来天空对大地的呼唤,表达人类超越地心引力的梦想。
航空馆利用双层屋面导入自然空气,形成独特的符合环保要求的生态夹层。建筑整体包覆在白色PVC膜结构下,仿佛给建筑配搭了一座异型“遮阳篷”。尤其是屋面与膜材之间形成约1米至1.5米的空腔层,极好地解决了夏季屋面隔热的问题,有效地降低了运行能耗。
中国航空馆将以互动体验形式,精彩演绎航空科技和航空服务的发展历程及其给人们生活带来的巨大变化。
上海企业联合馆
上海企业联合馆被昵称为“魔方”,是座融入生态智能技术的“会呼吸的建筑”,环保设施、梦幻灯光和互动效果会随着不同的天气、日照和人流自动智能调节,不断变换,不需人为控制。屋顶上布置的2200平方米的太阳能集热屏,收集太阳能生成的95℃热水,通过超低温技术发电,能为“魔方”不断提供清洁能源,这是我国自主研发、全球首刨的最新技术。
站在展馆周围的广场上,可以看到巨大的工业机器人展示,还可以在水雾形成的飘逸感觉里,欣赏“魔方”变幻出千变万化的色彩图案。而且这些互动效果是不需要人为控制的。
信息通信馆
信息通信馆由中国移动和中国电信联手打造,将城市生活梦想的体验全面刷新,创造一幅没有边界的未来信息城市生活画卷。
“信息通信馆”展馆建筑表现为流畅动感的形体,借助丰富多彩的图像,形似披上了一层幻彩的丝绸外衣,也传达出对信息时代的美好愿景与想象。
上汽―通用汽车馆
展馆以旋转与升腾的动力为题,将汽车设计手法融入整体造型中,使大自然与汽车工业得以巧妙关联。
步入展馆内部,等待参观者的将是全球首创的尖端视觉与动态体验。穿梭时空、直达2030年,参观者将亲身体验未来20年人类出行方式和汽车生活的刨新和变革,感受未来社会中安全通畅、舒适便捷、以人为本的交通系统,畅游于触手可及的美好汽车生活画卷中。
石油馆
石油馆外观就像是用纵横交错的石油管道编织成的精美“礼盒”。外装饰材料是新型绿色石油衍生品聚碳酸酯做成的PC板,开创性地将可循环再利用的新型绿色石油衍生品用作主要建筑材料:许多石油石化符号和石油勘探、开采的LED景象能把你拉回“铁人”年代。
震旦馆
震旦馆是本届世博会上惟一的台湾企业展馆。它以中华玉文化为主轴,馆内有各代玉器经典之作,台湾震旦集团将8000年的中华玉文化浓缩为20分钟的参观游程,将典藏的40件玉器通过全息投影成像科技,以360度全景呈现。收藏家一定要进去看一下。
震旦馆有一项宝贝,那就是会说话的机器人,他们将和罕见的、重达2.5吨的玉山子藏品一起在出口处与观众见面。
思科馆
思科馆以“智能+互联生活”为主题,将向世人呈现其在“智能+互联城市”领域的创新科技及成就,带领参观者踏上通往2020年的“智能+互联生活”之旅,参观者将亲身体验一座能够更好地推动经济发展、改善市民生活质量、减少碳足迹、并确保环境可持续性的城市。
中国人保企业馆
造型上充分运用公司标志“PICC”的红色和白色,和谐搭配世博标志的绿色。
在展馆内部装饰上,将运用声、光、电和多媒体技术,多角度、全方位地展示中国人保建司60年来的辉煌成就、品牌形象和文化理念,并配备功能齐全的视觉、听觉、触觉等高科技手段,让参观者获得互动的体验和乐趣。
韩国企业联合馆
韩国企业联合馆以“绿色城市,绿意生活”(Green City,Green Life)为主题,展现韩国企业对可持续发展的思考与探索。通过多彩的展示物和影像物表现倡导绿色,节能,有效利用资源的韩国绿色IT技术。
民营企业联合馆
展馆由巨型圆柱体组合而成,每个完美协调的曲面彼此有机结合,象征16家中国民营企业的联合。建筑以“细胞组合体”为创意元素,展现细胞由弱到强、由小到大的无限能量。同时,细胞具有与生俱来的活力,其不断裂变、整合形成生命体的过程,也呼应了展馆主题。
远大馆
展馆采用“天圆地方”的简洁建筑造型,腾空而起的DNA雕塑采用膜结构,在阳光下晶莹透澈。方形的可持续建筑恰如大地,静止稳定地承载着人们的追求和希望。整个展馆离地半米,被立柱“架”在空中,地面的浅水景可完美展示建筑倒影,使建筑显得非常“轻巧”。展馆外设“盘道”。“盘道”为金属结构,外墙为膜结构。通过“盘道”,可以从4米的高空俯视演出活动后,再进入馆内参观。
馆内的生命展厅旨探索生命的极限,以健康、长寿为线索,全面解读食物、水、空气和能源等与生命息息相关的元素。
日本产业馆
日本产业馆的主题是“来自日本的美好生活”,“再利用”的概念贯穿了整个建设工程:不仅对历史悠久的江南造船厂老厂房进行改建,新的结构将使用建筑用脚手架,拆除后可再利用,内部装修采用再生纸纸管,工作人员的制服也使用了旧衣服循环利用后的布料。
可口可乐馆
可口可乐馆为一座两层建筑,建筑风格讲求虚实对比和颜色变化,外立面简洁独特,所有的外墙均采用金属防风雨百叶,刷成“可口可乐”的红色。可口可乐企业馆通过宣传上海世博会“城市,让生活更美好”的主题,提出节能、环保、技术创新和创建高品质生活方式的理念。
万科馆
万科企业馆选用麦秸秆压制而成的麦秸板作为主要建筑材料,别出心裁地设计了由7个相互独立的“城市麦垛”构成的展厅结构,“麦垛”之间通过顶部的蓝色透光ETFE膜连成一体。
中国铁路馆
中国铁路馆两侧方正空间以质朴的材质、理性的网格代表了城市印象,中间部位以全色LED灯光模拟铁路网,代表了作为城市纽带的中国铁路在城市发展中的重要性和先进性。建筑外观朴素自然,细部处理优美,营造了一个舒适宜人的博览空间,充分体现了铁路馆“和谐铁路,创造美好生活新时空”的理念。
【关键字】时间统一技术;GPS;研究及应用
由于我国科技的不断进步以及快速发展的需要,越来越多的工程以及学科领域的研究都意识到时间统一的重要性,尤其是在现代大型武器装备系统的应用中,时间统一性技术起到了至关重要的作用。众所周知,时间和频率是我国国防科技发展需要的重要参数。为了能够保证国防科技的顺利发展,尤其是在国防科技中能够保证各种测量仪器设备以及系统组成的完整性,以及工作的协调性,我们必须实现全系统的时间和频率的完全统一。时间统一系统是保证国防事业中试验时间和频率统一的基础。本文主要是论述了时间统一和时统设备,GPS精密授时技术,时间统一系统的仿真设计以及时间统一系统在实际中的应用。
一、时间统一以及时统设备
(一)时间统一
时间是物理学中最基本的一种单位,在我们日常中所指的时间其实包含有两种含义:首先,时间指的是时间间隔;其次,时间是指某一时刻。而时间的标准须要同时具有两个条件:稳定性以及复现性。在我国现代的国防事业中,尤其是导弹和航天领域中,甚至是包含全球以及深空中任务都需要一个统一的时间作为参考。由于导弹以及航天专业的特殊性,人们提出了时间统一系统这一概念。所谓的时间统一系统就是在常规武器试验、导弹试验以及航天器发射过程中能够提供一套标准的时间信号和频率的一种高精密的电子设备。
在导弹以及航天工程中,时间统一系统起到的作用主要包括:确保在任务期间向所有参试设备提供精准的时间、频率信号以及控制信号等;对参试设备进行数据的跟踪和分析。虽然时间统一系统是针对导弹和航天试验而兴起的一门新学科,但是由于科技的发展以及其他学科例如现代通信行业、卫星导航以及天文地理等很多的行业也对高精度的时间提出了需求。
(二)时统设备
所谓时统设备是一种通过传输装置等向其他的设备发送以及提供标准时间信号以及频率信号的设备。定时校频设备是时统设备中最主要的设备,其作用是用来接收标准时间以及频率信号,并通过标准频率来对当地的频率进行精准的校正。
时统设备向各个用户设备发出的时间信号应该是与标准时间同步的。因为,这个信号除了能够与标准的时间保持同步的精度,还需要包含用户设备所需要的标准时间信息。
二、GPS精密授时技术
GPS是Global Positioning System的缩写,中文意思就是全球定位系统。这项技术在最开始是仅限于军用的,但是在目前已广泛应用于民用的诸多行业中。GPS是一种全球性、全天候的卫星无线电导航系统。其特点是可以同时精确的、快速的为无限多用户提供定位需要。GPS主要是由空间部分(GPS卫星)、地面控制部分和用户设备部分组成。GPS卫星是由距离地面20200km的24颗卫星组成的,这24个卫星平均分布在6个轨道平面内。GPS地面控制系统是由一个主控站以及三个注入站和五个监测站组成的。用户设备部分主要指的是GPS信号接收机,在接收机内主要包括接收机硬件(主机、天线和电源)和软件。接收机的作用是能够接收到一定高度卫星发出的信号,并同时能够跟踪这些信号,以及卫星的运行,并对接收到的GPS信号进行适当的转换、放大以及处理,而便于记录GPS信号从卫星发出信号到接收到信号的时间等,并在最终实现用GPS进行导航及定位的目的。随着GPS技术的快速发展,GPS技术已经在很多领域有了广泛的应用。
三、时间统一系统的仿真设计
时间统一系统主要是由授时部分、时间同步部分以及精确时刻信息提取部分组成。授时部分主要是利用GPS接收机来接收GPS发射出的信号,时间同步部分则是用于将本地震荡器输出的脉冲秒进行同步,在完成了本地时间与标准时间同步后,才能完成精确提取时间信息,而实现本地时间与精确时刻信息时间的高度一致性,进而达到时间的统一。
(一)授时部分
秒信号是一种由时间统一系统向使用者输出的一种与标准时间同步的时间信息和时间信号。这个过程大致如下:首先GPS接收到卫星信号,并将信号转入GPS-OEM板,经过板内处理后将信号进行适度放大,然后在下变频处理,以及AD转化为数字信号,在将数字信号进行解调扩散,最后对数据进行导航数据处理,得到与标准时间一致的时间信息。
(二)时间同步部分
从理论上,可以使用外部时间作为基准来记录 输出的脉冲秒来达到时间同步的目的。但是,因为GPS卫星信号所使用的频率都在1200MHz以上,座椅很容易被屏蔽。这样就导致不能仅仅通过使用GPS接收机输出的信号来实现同步。除此之外,GPS信号的接收还会受到大气层许多因素的干扰和影响,很难建立准确的大气误差模型,同时GPS接收机输出的秒脉冲和接收到的信号都会不可避免的存在一定的系统误差。这也和GPS接收机的生产质量有直接的关系,所以要想保证时间的同步,应该选用高质量的信息接收机。
(三)精确时刻信息提取部分
在达到了本地信号和GPS信号同步后,我们就可以有效的将秒脉冲信号作为时间统一系统的高精度时间节点。进而,通过GPS的串行输出数据获得需要的精确时刻信息。在获得数据后,再将其传递给本地的使用者。
四、时间统一系统在实际中的应用
(一)在电力系统中的应用
由于社会进步的需要,我国需要建立超大规模的复杂电网。但是,在复杂电网形成的过程中难免会产生很多的问题,例如如果电网发生很大的扰动,又没能得到及时的预报和控制,就会造成很大面积的停电事故,进而造成严重的经济损失。而使用GPS则可以对故障进行精准定位。
一、市场前景:
针对上海市场,本研究小组进行了为期4周的社会调研,调查主要以调查问券为主,网络问卷为辅的形式进行,实际发出调查问卷400份,收回有效问卷373份。调查地点为:上海电机学院,复旦大学,同济大学,东华大学,上海师范大学,上海大拇指广场等地区。调查群体主要为社会公众和大学生。根据调查结果显示,调查群体中近85%的受调查者听说过3D打印机的概念,并对其有基本上的了解,这说明,3D打印的概念在上海市的一般民众的大脑中别不是一个特别陌生的概念,但进一步调查显示,仅有47%的受调查者了解3D打印技术的具体内容,并能大概了解该技术可应用的行业,这47%的受访者中67%为在校大学生,而在全体受访者中仅有12%的受访者对于3D打印技术有着较为深入的认识,了解该技术在国内国外的发展状况,以及我国和国外主要做该产品较成功的公司,这12%的受访者多为大学教授,在校理工科相关专业大学生,社会人士基本没有。调查问卷主要调查目的是为了了解人们对于3D打印这一技术的了解和认知程度以及该技术的市场前景等,总体得出结论,该技术仍属于认知度较低的新兴技术,在国内属于发展的早期阶段,尚未形成较规范的市场。但是,
3D打印机作为一件带来制造业生产方式革命性变化的发明,存在着起不可忽视的优势,其市场未来前景发展良好,具体体现在:
1.生产复杂的或多样化产品不增加成本:传统制造业制造工序越复杂,越华丽的产品,其成本也越高,而生产多样化的产品则需要购置各种设备(因为传统设备的生产功能较少),整个产业链的构筑成本非常高。但3D打印机制作只需要图纸和材料,生产普通产品和生产复杂化多样化产品的成本相差无几。
2.无需组装:生产出的产品直接成型,省略组装就直接缩短了供应链减少了工序,节省了劳动力和运输方面的费用,而且供应链越短,产生的污染物也越少。
3.无需制造技能:传统生产工艺中很多制造需要技工掌握相应的技能,而3D打印从设计文件中获得各种指示所需操作技能较少,并且非技能制造将开辟新的商业模式,并能在远程环境或极端条件下为人们提供新的生产方式。
4.更广阔的设计空间:传统生产的设计的产品形状受制于所使用的工具,3D打印机则突破这一限制,开辟了更大的设计空间。
5.更高的资源利用率:传统制造业对原材料的使用效率十分低下,大量的原材料被浪费在了生产车间,而3D打印则有着跟高的资源利用率。
6.材料的融合:传统制造业的制造机器在切割和模具成型的过程中不能轻易将多种原材料融合,3D打印技术的发展将可以融合这些以前难以融合的 材料,而形成的新材料将可能具有独特的属性和功能。
7.极为精确的实体复制:随着扫描技术的不断提高,3D打印将可以能实现对于实体扫描,编辑和复制,创建精确的副本和元件。①
3D打印机的这些优势使其在未来的制造业种将占有极为重要的位置,谁能更进一步的发展该技术,谁就可以拥有更先进的生产力,而生产力的先进程度更是未来世界竞争的重要元素。而在我国,如此重要的技术之所以发展相对较缓,除了技术因素外,市场需求反应不强烈也成为起发展的重要掣肘因素,故对于其的市场开拓显得尤为重要。
二.3D打印机市场细分及应用领域:
新技术的种种优势使其有着极其广泛的应用领域,也为其创造了巨大而又复杂的受众市场,具体如下:
1.医疗行业:
现有3D打印技术已经被运用于医疗行业的众多领域,例如:3D打印骨骼和假肢比起现有技术制作速度和精确度都有优势,并且成本并不比传统制作高。不仅仅是骨科,口腔科、整复外科、肿瘤科都可以运用到3D打印技术,上海市医学会骨科专业委员会主任委员、医院骨科医院院长袁文教授曾说过:“3D打印模型清晰、精准,有了它,术前设计可以非常精准,不仅让手术更顺利,连与病人和家属沟通也更方便。将来的医院可能出现‘3D打印科’。”②
2.影视业:
各种影视道具的制作,面具等特殊用品的制作,利用3D打印机可以快速成型可以将现场导演或编剧的部分创意快速实现,将一些场景模拟制作出来。但是,现阶段由影视基地直接购买3D打印机来进行制作道具场景模型的较少,多是有3D打印机的公司接来自影视基地的制作委托,但随着该行业的发展,影视基地自行购买3D打印机来进行道具制作的未来并非不能。
3.教育业:
鉴于我国国情,我们小组认为现阶段最需要3D打印机的教育机构是高校,这里并不是说仅仅将3D打印机作为些其专业的研究材料和研发对象,而是要将部分3D打印机向一般学生开放,大学生理当是中国最有创意的一群人,而3D打印机则是为大学生们提供了一个将自己创意实现的平台,很多非工科专业的学生有创意但却苦于自身没有相关技术无法将其实现,3D打印机的对一般学生开放可以帮助大学生更好的实现其创意。根据我们的实地调查也有73.7%的大学生表示对于学校引进3D打印机供一般学生使用表示支持。而针对中小学的教育投入3D打印机泽有利于将很多复杂的数学的或者抽象的概念具体化,加深学生的理解,从而增强教学效果,欧美国家已经开始逐步试用,但考虑到我国的中小学教育现状,在中小学引进3D打印辅助教学必不实际,但可以是未来教育的趋势。
4.文物行业:
文物作为一手史料,有极高的历史研究价值,但是,由于其经历的时间过于悠久,极易于损毁,而3D打印机将文物以极高的精确度复制下来,这不仅有利于对于文物的历史价值的发掘,更可以帮助修复受损文物。
5.建筑业:
建筑业是3D打印技术进入的最早的领域之一。以前的3D打印技术还仅仅是将3D打印用于对建筑的设计和建模,例如:ABC成像公司制作的建筑模型,这些3D打印技术制作的模型的独特处在于,由于精度极高,无法使用传统注塑工艺实现,传统硬纸模型强度不够,要进行游廊后面柱子的雕刻就会导致整体结构崩坏,故3D打印建模的优势远胜于传统建模工艺。随着技术的发展,3D打印技术已经可以直接运用于建筑业,南加州大学的比洛克.霍什内维斯已经制作出名为轮廓工艺的建筑机器人,其工作原理与3D打印机基本一致,也是分层喷射材料挤压成型,有着惊人的制造效率,20秒内可以制造1平方英尺的墙。
6.饮食业:
饮食业的机会在于,3D打印技术能给饮食业带来带来制作工艺和创意方面的创新,3D打印出的食品具有的独特口感也可以作为其卖点。
7.生活时尚用品:
3D打印技术的出现对于生活时尚用品行业的影响十分深远,3D打印技术使每个人都可以成为设计师,将自己的创意实现,而不必具备相应的制作工艺和技能,而3D打印技术也使很多手工难以实现的创意实现,新材料,新设计也相伴而生,未来3D打印技术很有可能成为时尚产业的一个重要组成部分。
8.航空航天业和军事工业:
航天业的技术发展离不开精确的制造工艺,一点点细微的误差在航天业中都是不被允许的存在,传统制造业为了满足航空航天技术的需求,往往需要极其复杂的制造设备和有着丰富经验和顶尖技术的技术工人才能提供相应的航天材料和工件,而3D打印技术则可以很好的为提供精确的制造工艺。而且,3D打印技术也可以大大拓宽设计师的设计空间,将电脑中的数据建模实体化,更加利于航天技术的发展。3D打印技术为军事工业提供更多的设计空间和模式设计可能,但是由于我国国情,这两个产业由国家垄断,私人企业进入门槛较高,故本文不着重介绍这些行业。
三.开拓3D打印市场的策略
1.利用3D打印技术绿色生产的优势进行营销策划
3D打印技术在部分生产领域可以减少生产工序过程中的大量污染,举个例子:比如生产一块玻璃,现在的生产工艺是一条流水线,将经过沙子高温熔化塑型冷却等工序制作成,期间会产生大量有毒气体等污染,而3D打印机则可以在像沙漠等阳光充足的地区利用太阳能的热量将沙子熔化再制造成玻璃器皿,整个过程完全绿色无污染,实际上在摩洛哥,马库斯.凯泽博士就实现这种3D打印机的制造,其名为“太阳烧结器”。
根据著名的“阿特斯金可行性研究”,在生产塑料的工艺中,3D打印机生产比注塑机要提高大约10倍的耗电量,而且如果使用的是一些热固性聚合物,这些材料制造后产生的废料是难以回收利用的,而且在生产有较大空隙的塑料产品时这种浪费尤为严重,而且产生的废料只有40%可回收,60%都会被废弃,但是好消息是注塑机在生产塑料过程中要使用一种有毒的化学“脱模剂”,而3D打印机则不需要,但从碳足迹的角度说,在塑料制造上3D打印比起传统制造优势并不大,水溶性支撑材料的利用率越来越高,就环保生产角度,该材料可能比其一般塑料更有前途。
2.进行3D打印技术Fabapp平台的开发
这牵涉到3D打印技术的未来发展方向,Fabapp平台就像iphone的应用程序一样,他会在设计过程中提供指导,使你能将现实中自己的需求通过3D打印快速实现,例如:你在线购买一个Fabapp,他为你提供指导,你上传自己手照片和自行车手柄的快速光学扫描,设定颜色和材料,就可以拥有一副和自己手完美契合的手柄把套了。
但这样的软件多处于开发阶段,但它的出现是该产业发展的趋势,将带来新的经济,故可以尝试投资该软件的开发,当3D打印产业普及后,可以预期产生可观的利益。
3.利用体验经济对消费者的吸引力
约瑟夫.派恩和詹姆斯.吉尔摩在《体验经济》一书中提到,未来的竞争体验度的作用会越来越明显,产品对消费者而言是枯燥又必须的,但独特而鲜明的产品对消费者更具有吸引力。③派恩和吉尔摩强调DIY创新的产品和技术更具吸引力,在体验经济中,利润高的公司既销售产品也给消费者带来切身的体验或观念上的转变,这种感受会提高消费者对产品的忠诚度,并且愿意进行二次乃至多次消费。
而3D打印机这项产品正是迎合了这种经济模式的理念,对未来消费市场颇具吸引力和影响力。它所生产的产品与提供的服务,在现在以及未来的消费市场中,对于轻工业企业、网络DIY设计者、艺术家以及追求生活品味的白领有着极大的诱惑。
4.创造一个能让客户充分体验到DIY的乐趣的文化氛围
MakerBot公司的官网为他的客户提供打印项目和技巧,帮助客户庆祝纪念日等各种日子,创造独特的有关3D打印的活动,如“极客骄傲日”,为客户提供3D打印产品设计文件的下载,让客户更加容易享受到3D打印带来的快乐。
这种娱乐性的方式将设计和制造变成对客户而言平等,有趣且充满变革的体验,相同的方法适用于推广价格较低,面向一般人和小企业的小型3D打印机。
5.建立自己独有的销售平台或者去经营销售平台
3D打印产品的受众和生产者之间需要有个能彼此交互信息的平台,消费者希望能自己自己的生产要求,而生产者则希望自己的产品能被有购买预期的消费者看到,于是销售平台的重要性就不言而喻了,例如:Shapeways公司提供了一个创新型设计市场,该公司是一个基于网络的市场,为设计师托管店面,为客户托管以设计文件发送过来的3D打印制成品,它为人们提供了一个推销自己3D打印产品的平台, 100KGarages公司则是通过作为中介,联系使用3D打印技术生产产品的厂商和买家,作为中介获取中介费用,通过让有需求的厂商在100kGarages网站上需求,再由生产商来接洽生产任务,这种经营模式也是3D打印产业中的一种可以存在的部分。这种平台战略不仅有助于推广该技术,成功的构建平台的公司,将在未来这个行业的发展中取得极大的优势地位,而中国这种3D打印产品专有的平台还属于空缺状态,有资本的投资者可以对这一领域重点关注。
6.3D打印耗材的开发与销售
3D打印设备“买得起,用不起”,是很多国内用户的心头痛,因为进口耗材太贵。很多3D打印材料我国都不能实现自我生产,例如,沪上多家医院的口腔科正与创新中心一起研发隐形正畸牙套,这种3D打印出的透明牙套,不仅美观且使用方便④。上海市第十人民医院口腔科副主任徐远志告诉记者,目前这种牙套靠进口,价格昂贵,若能实现其打印材料的国产化,费用则可大幅降低。上海产研院已经搭建3D打印技术创新中心,目前,该中心已入驻5个研发团队,上海产研院院长钮晓鸣认为,尽管上海错过了3D打印的技术初创期,但在这一产业的高速增长期仍大有可为,所以,其配套的材料生产开发,也是一个很有利润和发展前景的产业,就是对于技术要求不低,需要有条件的投资者进入。
随着互联网时代的到来,市场也正发生着翻天覆地的大转变,依托网络建立的各种新的经济模式和成分已经成为整个经济社会越来越重要的一部分,“8.2法则”已经不能完全适应所有的经济领域,而“长尾经济”时代的到来,预示着这个市场对于个性化产品的需求和包容已经上升到一个从未有过的高度,⑤而3D打印技术作为一种新兴技术正适应了市场的发展需求,所以,该产业未来的发展前景是可以期待的,各位投资者有理由注意该产业的发展,以寻找适合的时机进入来获取利润。
参考文献
[1]优势部分节选自中信出版社出版《3D打印:从想象到现实》胡迪.利普森,梅尔巴.库曼著.
[2]《沪建3D打印技术创新中心 医院今后或有"3D打印科"》来源:文汇报 作者:许琦敏.
[3]《体验经济》B.约瑟夫.派恩 詹姆斯.H.吉尔默 著.
[4]《沪建3D打印技术创新中心 医院今后或有"3D打印科"》来源:文汇报 作者:许琦敏.
就体现在作为“实践”的环节上。具体地说,实验方法对科学技术发展的重要作用主要表现在:1)实验是检验(即证明或反驳)科学假说和理论的真理性标准,是证明科学知识的主要手段。真理是客观事物及其规律的正确反映,即主观认识与客观实际相一致。要判别认识之是否真理,只有通过科学实验或生产实践,是主观见之于客观。在实验过程中赋予理论假设直接现实性的品格,向人们提供无可置疑的事实,使人们据此判明理论假设的真伪对错。2)实验是获得新假说、新理论的直接来源,是发展科学知识的手段。由于实验直接指向研究对象,积极干预事物和现象的进程,能提供新鲜的事实材料,形成新假说和新理论的经验基础,甚至指明新的科学发现与技术发明之路,成为获得有关外部世界一切知识的基础。因此,可以说一部科学技术发展史就是一部人类不断实验的历史。实验总是不断推进人们的科学认识与技术研发,没有实验所揭示的新事实、新现象,无法凭空建构出一个新的理论体系,或者创造出一个全新的技术系统。随着现代自然科学的飞速发展,实验方法的种类日益增多,内容十分广泛。广义地说,科学实验可分为实物实验和思想实验;按实验中量与质的关系,实验方法可以划分为定性实验、定量实验和结构分析实验。实验的一般程序包括:首先,根据要求进行实验的构思与设计,这是决定实验成败的首要环节。它包括确定实验原理、选择实验材料、选择或研制适用的仪器设备、选择实验类型、确定对有关实验条件的控制等;其次,在实验过程中,精心操作、细致观察和准确记录;再次,对实验结果的分析整理,确定所获得的经验事实;最后,对实验结果做出理论概括与解释。这一过程如图1所示。
2技术试验的内涵
技术试验在技术创造过程中的地位与科学实验在科学研究过程中的地位相当,有以下相似与区别之处:1)与科学观察相比,都不是发生在自然的条件下,而是在人为控制和干预的条件下进行的。2)与科学实验相比,实验的研究对象是自然事物,而试验的研究对象只是人工创造物,包括人们拟定的规划、设计和研制出的机器设备等。实验主要表现为从客观到主观、从实践到理论的认识过程;试验则是从主观到客观、从理论向实践的转化过程。实验是为了揭示自然事物、现象和过程的本质与规律,创立相应的科学理论;而试验则是为了探索科学理论实际应用的条件、途径和形式,以获得新的技术发明。3)尽管技术试验同实际应用的联系比科学实验更密切,但也只是在实际应用的预备阶段,为试制和实际应用奠定基础。技术试验是试探性与验证性的统一,往往能为技术研发与推广应用开辟出新的途径。技术试验是从技术方案到现实技术形态的中介或桥梁,是检验、修正和完善技术构思与设计的重要手段。技术试验在技术发明、技术革新、技术推广等活动中,不仅是对技术成功与否的验证,更是发现问题、探究规律、优化技术的关键,对于推进技术认识的发展、完善技术设计与制造工艺发挥着不可替代的作用。技术试验过程大致可分为试验准备、试验操作和试验数据的分析处理3个基本阶段。其中,试验的构思设计居于核心地位。试验设计不仅要明确试验的目的、任务、内容和类型,选配相应的测试仪器,而且还要确定恰当的试验步骤和试验方法,力求对所处理的因素进行合理的安排,从而用较少的试验次数,最低的人力、物力、财力消耗,实现预期的试验结果。在技术试验过程中,不同的试验题目、内容和性质,往往要求不同的试验类型及其方法。即使同一个复杂的试验项目,试验步骤或阶段不同,所要求的试验方法也不尽相同。因此,应根据试验项目的具体特点、步骤和阶段,选取不同类型的试验方法。技术试验方法的种类很多,可以按照不同的依据对其进行划分。1)性能试验与对比试验。性能试验是为了定性或定量地认识某一部件、工艺或产品的功用而安排的试验。如对材料的强度、塑性、抗腐蚀性的试验,对机械设施的抗震性,汽车的速度、安全性或耗油量的试验等。性能试验常常需要在某种极限条件下进行(如破坏性试验),或者需要经历一个较长的试验时间(如寿命试验),并要求具备相应的测试手段。性能试验往往需要通过对比试验的方式进行。对比试验就是为了确定多种方案或产品的优劣而精心安排的,试验结果可作为评价和选择技术的重要依据。2)析因试验。析因试验就是通过技术试验,分析和确定导致技术后果的原因。在技术发明过程中,常常会产生这样或那样的结果,这些结果或者是符合、或者是偏离预定的技术目标和技术功能。通过析因试验,探寻导致某一结果的原因,有助于人们有针对性地采取措施,强化、减弱或消除这一结果,从而改进技术方案与设计,使技术功能得到改善或提高。技术的开发或运行是一个涉及众多因素的复杂过程,某一结果的出现往往是由多种因素综合作用的。因此,在析因试验中,应善于全面、系统地分析导致某一结果的机理和因素,抓住其中的主要或关键环节。3)中间试验。中间试验也称为中试生产试验,是为了把实验室技术成果转化为实际应用而进行的试验,处于从实验室技术到工业化技术发展的中间环节。一般地说,实验室研究的规模狭小,条件控制严格,操作精细,结论的精确度较高;而生产环境的规模大,要求不严格,可变因素多,过程复杂。实验室技术成果一旦投入生产或扩大规模,条件发生改变,就会出现种种问题和预料不到的情况。因此,不能把实验室技术成果简单地移植到工业生产环境之中。为了摸清在推广应用过程中可能出现的问题,就需要以更接近于生产规模的实际条件进行反复试验。4)模拟试验。模拟试验又称模型试验,它是以模型替代原型而进行的技术试验,然后再将模型试验结果适当地推演和应用到原型上。在这一过程中,模型是创造原型的手段,完善原型则是进行模型试验的目的。模拟试验本质上属于间接试验,事物之间的相似性是该方法的客观基础。模拟试验方法适用于技术创造过程的诸多环节。
3科学实验与技术试验方法的综合运用
运载器是极其复杂的系统,综合体现了当今科学技术的成就,代表着航空、航天技术最全面、最复杂、最先进的水平。同时,它也是高投入、高技术、知识密集的系统工程,在其设计、制造、试验、发射和飞行过程中都将面临许多难题,因而要求从事该领域的科学研究与工程技术人员不但要广泛运用科学实验方法与技术试验方法,而且要将二者有机地综合运用,以支撑运载器的全寿命周期质量保证与工程应用工作的开展。科学家达•芬奇指出:“科学如果不是从实验中产生,并以一种清晰实验结束,便是毫无用处的、充满荒谬的,因为实验乃是确定性之母。[3]”科学研究与工程技术人员不仅要充分认识实验在科学方法上的重要性,而且要不遗余力地身体力行,从事各种实验活动,获得更多的科学事实,指导科学与工程技术问题的认知与解决。导弹液体推进剂晃动问题的解决即是通过科学实验取得科学成果的成功案例之一。“木星”导弹前两次发射均以失败告终。其中,首飞失利归咎于发动机羽流烧坏了伺服机构控制电缆。此后第2次发射再次失利,原因定位于“由于液体推进剂晃动和控制系统之间的动态耦合,导致控制系统饱和,箭体在最大动压时失去了控制”。前一个问题通过在燃气发生器尾气排出箭体处设置防护罩得到有效解决;第二个问题则在理论方面及相关的实验方法上是一项新兴技术,该问题成为促进研究人员开展深入科学研究和发展相关实验技术的契机。为此,首先利用“木星”的液氧推进剂贮箱进行了演示实验:将贮箱放置在有轨电车上,贮箱内加满水,通过驱动电车与轨道上的固定障碍物进行猛烈的撞击,由此激发液体的动力学响应。摄像机记录下了这些运动,并可由此推导出等效的晃动质量和频率,将其应用在控制反馈仿真中,最终通过“啤酒罐”、“鼠笼框”的结构形式成功实现“防晃”的目的,并且在实验的基础上形成了液体推进剂在晃动条件下其动力学行为的演变理论,为运载火箭型号液氧推进剂贮箱的结构设计提供了理论指导。技术试验关系到技术系统的质量、功能和水平,是技术方法论的重要内容之一。技术试验可以为技术方案建构、工程技术设计和样品试制提供事实根据,验证它们的科学性、可行性与可靠性,发现设计制造过程中的缺陷,改进工艺和产品。工程技术对象十分复杂,影响因素众多,在常态下有的特征或缺陷不易显现,有的造价昂贵,定型后更改代价高昂。只有在设计过程中运用巧妙的试验来强化、干预或模拟对象,才能形成技术制造或控制的最佳方案。由于技术试验在技术活动中是必不可少的环节,因而在重大技术研发的各个阶段都需要试验。技术试验作为航天领域中最基本的常用方法之一,尤其是作为宇航和武器系统全寿命周期过程中的重要质量保证方法之一,正在发挥着越来越重要的作用。通过技术试验推动技术认识、提高技术水平的案例可列举为:火箭研制过程中的重要一环就是试验验证,电气系统需要通过综合试验、匹配试验和发动机点火试验验证,并经过出厂测试验证。新研火箭更需要开展分离试验、动力系统试车、模态试验、静力试验、风洞试验等大型试验。航天型号在进入工程研制阶段之前,都要经过一个预先研究时期,这一时期的研究活动集中体现了科学实验与技术试验两种方法综合运用的重要意义。这一时期,在基础科学研究阶段通过科学实验获得的科学原理开始转向应用研究;技术基本原理开始被用于发明活动;通过实验室研究,验证各独立元素并分析预测;基础部件或原理样机在实验室进行试验;部件或部件级原理样机在相关环境下进行试验。预先研究时期进行的科研活动的显著特点就是通过实验方法进行理论研究,完成从客观到主观、从实践到理论的认识过程,并通过试验方法不断验证、修正理论,完成从主观到客观、从理论向实践的转化过程。预研阶段是航天型号进入工程研制的基础储备阶段。图2展示了某材料在航天型号应用前开展的主要实验和试验活动。
4结束语