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汽车可以上高速,绿皮车为什么不能提速到动车的水平?
2019-01-29 07:47

汽车可以上高速,绿皮车为什么不能提速到动车的水平?

本文来自微信公众号 :(ID: steamforkids),作者:七君。



我们都知道,汽车可以在马路上加速减速,还可以上高速。那么,火车,尤其是绿皮车为什么不能加速呢,它们明明享用了独占的铁道,只要事先把各个班次的火车调配好,大家都提速,不就可以让乘客快点到站吗?


emmm,这个想法当然是美好的,但是现实却很残酷。火车是不能随便提速的,因为提速会出大事啊!


出什么大事?请看下图。


看到了吗?这就是火车强行提速后发生的悲剧事件。


@BBC


上面这张图的发生地在德国西部。


其实,早在火车诞生之初,许多铁道工程师也有给火车提速的想法,但当他们真的开始做了以后,就发现提速后的火车会开始致命扭腰——蛇行振荡(Hunting oscillation)


啥是蛇形振荡?



其实坐过绿皮车的人都有体会,火车开起来的时候,左右晃悠就是蛇形振荡的表现。



蛇形振荡@wikipedia


你想想看,光是那点帮助康师傅面霸在胃部混合搅拌消化的速度就让绿皮车晃成那样了,再给提到动车的速度,那还不得晃出太阳系和人头马座250肩并肩?


蛇行振荡的本质是火车车轮的形状,以及车轮和铁轨接触面的受力(蠕滑力)导致的


对了,你可能不知道火车车轮是什么样子的。猜猜看?



火车车轮和汽车车轮不一样,并不是平整的圆柱体,而是圆锥形的。原因嘛,看下下面的图你就知道了。



如果火车轮是圆柱体,很快就会脱轨。@Aachen University



圆锥体的火车轮不容易脱轨。


在火车车轮内侧靠近铁轨的地方,还有一个叫做轮缘(flange)的硬片,平时它和铁轨并不接触。但是在关键时刻,它可以拉车轮一把,防止火车脱轨。


圆锥形的车轮可以让火车呆在轨道上,但是圆锥形车轮却会不可避免地带来蛇形振荡的问题。


蛇形振荡在低速时并不明显,但当车轮高速运转时,蛇形振荡会变得异常剧烈,损坏轨道和车轮,甚至导致火车在平直的轨道上脱轨。



蛇形振荡现象首先在19世纪末被发现,因为当时的火车车速已经提升到可以产生蛇形振荡的水平。


由于蛇形振荡的存在,火车的车速都必须压在一个值以下,这个速度就被称为蛇行运动的临界速度(critical hunting velocity)



也因为蛇形振荡的天然障碍,在20世纪60年代,人们产生了抛弃传统火车的想法,那时候许许多多的人开始设法设计气垫火车或者磁悬浮系统来完全摆脱传统铁轨的限制。


比如,60-70年代法国工程师 Jean Bertin 研发的不要火车轮,靠高压气体托住火车前进的Aerotrain 的速度达到了每小时418千米。


Aerotrain@Mustard


北边的英国人感到被法国人赶超有点点不开心,所以也立马制造了 RTV-31 气垫火车


RTV-31 气垫火车


大洋彼岸的美国也不甘示弱,造出了更加先进的 Urban Tracked Air Cushion Vehicle(城市履带式气垫车)。


Urban Tracked Air Cushion Vehicle(城市履带式气垫车)


但是气垫火车在低速时非常没效率,所以后来大家的兴趣又转移到了磁悬浮列车上。不过,磁悬浮列车不能利用现存的铁轨,而且建造和维护费用高昂,所以到目前为止也没有几个国家采用磁悬浮系统。


好在在60年代,英国铁路公司(the British Rail)对传统火车进行了改良,他们通过实验发现,改良后的火车速度可以超过每小时290千米。此后,大多数高速火车都是采用英国铁路公司的设计。


英国人的这种设计是怎样减少蛇形振荡的呢?


他们首先减少了车轮的锥角(锥角越小,车轮看起来越平),并且配上了吸收震动的抗偏器(yaw damper)


抗偏器


比如,在设计日本新干线的时候,日本工程师们将就圆锥形车轮的锥角减少到普通车轮的二分之一。


新干线车轮的锥角只有普通车轮的二分之一


那个抗偏器又是什么原理呢?


其实,抗偏器这种防震装置的原理和古老的机械钟的 游丝是一样的。


机械钟的游丝(左边黑色螺线)


弹簧发条可以缓冲上下左右的晃动,吸收蛇形振荡的能量,提高临界速度。20世纪早期的一些工程师发现了这一点,并且运用到了汽车上,后来又被复制到了高速列车上。


抗偏器(白色)


经过了这样的改良,新干线的最高运行速度达到了每小时225千米(2017年9月,“复兴号”动车组在京沪高铁实现350公里时速)


不过到目前为止,火车最高时速的纪录属于法国人。2007年4月3日,法国高铁——法国高速列车(TGV)创造了每小时574.9千米的世界纪录。


法国高速列车(TGV)


话说,你知道什么季节更容易发生火车晚点吗?


实际上是秋季。晚点的原因你猜不到,和植物有关。


根据英国国家铁路的介绍,植物的叶子浸泡了水以后,会形成一种类似于不粘锅上的特富龙的物质——果胶(pectin)



果胶覆盖在铁轨上,会变成天然润滑剂,让火车轮子打滑。为了防止溜出轨道人仰车翻,秋季的火车就必须经常刹车,也不能大力地加速,这就容易导致晚点。


所以说,现在的铁路是不可能给你直通大地型的厕所的,那一车轨的有机农家肥可以让你一路从北京滑...翔...到西雅图了好伐。


参考资料:


本文来自微信公众号 :(ID: steamforkids),作者:七君。

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