我們在乘坐火車的時(shí)候,時(shí)常遇到列車開著開著往一邊傾斜的情況。尤其是在列車低速運(yùn)行的時(shí)候,傾斜更加明顯。筆者常年混跡于各條鐵路線上,經(jīng)常聽到有人問起這是怎么了。和列車熄燈一樣,總有不明真相的小盆友把火車斜了這種事發(fā)到微博上(比如這條微博)。于是今天就來講講火車為什么會(huì)向一側(cè)傾斜吧。 其實(shí),這個(gè)問題在高中物理課本上就有講述過。 根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律(Newton's Law of Motion)之第一定律的表述 Every body perseveres in its state of rest, or of uniform motion in a right line, unless it is compelled to change that state by forces impressed thereon. 物體會(huì)保持其靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),除非有外力迫使改變其狀態(tài)。 請注意勻速直線運(yùn)動(dòng)(uniform motion in a right line)這個(gè)字眼,對于某一時(shí)刻正在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體,其瞬時(shí)速度是沿運(yùn)動(dòng)軌跡的切線方向的。如果沒有外力的作用(即通常所說的慣性),它將繼續(xù)沿這個(gè)切線方向前進(jìn)。 因此,為了保持物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候,需要對其提供向心力 其中m為物體質(zhì)量,ω為物體勻速圓周運(yùn)動(dòng)的角速度,r為圓周運(yùn)動(dòng)軌跡的曲線半徑長度(有種寫論文的趕腳) 那么對于一個(gè)拐彎的物體,這個(gè)力應(yīng)該由什么提供呢? 如果列車在一條水平的彎道上拐彎,為了保證列車的曲線運(yùn)動(dòng),就不得不依靠外軌施加在輪對上的應(yīng)力來提供向心力。當(dāng)列車以高速運(yùn)行時(shí),根據(jù)向心力公式,需要的向心力是非常大的。作為一個(gè)很傷的火車,它表示它不想拐彎的時(shí)候頂著外軌,蹭著好難受……雖然現(xiàn)在鐵軌的強(qiáng)度也比較大,但是這種轉(zhuǎn)彎方式會(huì)對鐵軌產(chǎn)生明顯的擠壓和摩擦,久而久之會(huì)對行車安全造成影響。 于是在鐵路上,彎道都會(huì)有一個(gè)傾角。這樣,通過重力、接觸面對列車的應(yīng)力的合力提供列車需要的向心力,就可以減小輪對與鐵軌之間的擠壓和摩擦。這在鐵路中有個(gè)術(shù)語,叫做“超高”。 而坐在列車中的乘客,也會(huì)在轉(zhuǎn)彎時(shí)隨著列車發(fā)生傾斜。但很多時(shí)候我們都感覺不到這個(gè)傾斜的存在。簡單的說是因?yàn)閮A斜的角度加上當(dāng)前的速度能夠正好使乘客對座椅的應(yīng)力與乘客的軀體平行,也就是從頭部向下作用在座位上,因此乘客不會(huì)感覺到側(cè)向的力,也就沒有了傾斜感,只會(huì)覺得體重好象增加了一點(diǎn)點(diǎn)。 當(dāng)列車速度減小,需要的向心力減小,由于列車傾角沒有變化,且重力也沒發(fā)生變化,就會(huì)造成人體對座椅的應(yīng)力與軀體出現(xiàn)一個(gè)傾角,從而是人產(chǎn)生傾斜的感覺,而且速度越低越明顯。 這也就解釋了為什么列車低速通過彎道時(shí)乘客會(huì)感到列車傾斜。所以如果下一次您遇到這種情況,不要驚慌,因?yàn)檫@是正?,F(xiàn)象。不妨給您身旁不明真相的乘客解釋一下到底發(fā)生了什么。
題外話:723事故之后,鐵路部門對全國高速鐵路采取了降速這一舉動(dòng)。其實(shí)這是很沒有必要的,因?yàn)殍F路在建設(shè)時(shí)已經(jīng)按照設(shè)計(jì)時(shí)速確定了超高。列車以設(shè)計(jì)速度運(yùn)行,可以使列車運(yùn)行達(dá)到最平穩(wěn)的狀態(tài)。速度一旦低下來,列車與鐵軌之間的擠壓與摩擦就會(huì)增大,從而造成列車傾斜與晃動(dòng),反而對運(yùn)行安全造成威脅。這也是為什么現(xiàn)在坐高鐵感覺沒有以前平穩(wěn)的原因。所以,正確的做法應(yīng)該是恢復(fù)列車速度,這樣才能使高鐵更加安全,乘客的乘坐起來更加舒適。
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