高铁为什么跑得那么快？

2015-09-06黄路恒

小学科学 2015年8期

黄路恒

去年暑假，家在上海的小青受邀去北京参加夏令营，在出发前，他对自己的行程进行了规划。他发现从上海到北京，乘坐普通火车需要20多个小时，而乘坐最快的一列高铁只需要4小时48分。如此悬殊的时间差距，让小青对高铁为什么那么快产生了好奇。之后他通过查阅资料和走访对这个问题进行了研究，现在，让我们随着小青的脚步一起去探寻“高铁为什么跑得那么快”吧！

车厢有马力，马力当然大

俗话说：“火车跑得快，全靠车头带。”但这句话在高铁上并不适用。以前的火车，车头就是一个发动机，牵引着后面的车厢往前跑，车厢本身并不具有动力，所以传统的火车开动首先要火车头的车轮转起来。火车头自己先开动起来，然后拖动火车，可是，火车头的重量毕竟比不上整列火车，是不能一口气直接带动整列火车的。实际上火车开动时，火车头要首先牵引第一节车厢，第一节车厢和火车头一同动起来便增大了火车头运动的能量，才能牵动之后的车厢，最终使整列火车开动起来。也就是说，火车其实是一节一节动起来的，有个相当长的过程，需要相当长的时间，火车的变速也是一样。所以普通火车要跑特别快，相当不容易。再看看高铁，车上有牵引电机的绝不只是火车头，几乎每个车厢都有电机，几乎每个车轮都有动力旋转。这样一来，高铁的行进就像赛龙舟一样，个个儿都奋力划桨，所有车轮一致运转。团结的力量是巨大的，这样一来，列车相对就轻了，列车就跑得快了。

一根钢轨铺到底

法拉利汽车动力强劲，但要是让它到山区那七高八低的颠簸路面上去跑，估计还没拖拉机快呢。这是为什么呢？当然是因为路不平了！所以有了好的车子，还要有好的路。

高铁所用的钢轨和普通铁路的钢轨不同。普通铁路的钢轨，几十米就有个接口，火车行驶总是离不开“哐当哐当”的声音，车轮滚过钢轨连接处时，车轮震动、车厢震动、地面也震动，列车行驶一点儿也不平稳，速度也就不能提高，否则震动加剧就会造成翻车的事故。我们再来看看高铁，高铁的钢轨是一根铺到底的，修路时按照季节，在钢轨热胀冷缩伸得最长的夏天，把一根根的钢轨焊接起来，这样钢轨就不会伸得更长，到了冬天冷缩的时候，就凭着钢材本身的抗拉强度（即金属在静拉伸条件下的最大承载能力），保持不变形。这样就消除了钢轨上数不尽的接口，能够使车轮平稳地滚动，列车行驶也告别了“哐当哐当”的震动，做到平稳前进，就像在风平浪静的海面上舰艇可以全速前进一样。此外，我国高铁的轨道采用的是无砟（zhǎ）轨道（指采用混凝土、沥青混合料等整体基础取代散粒碎石道床的轨道结构），其轨枕本身是混凝土浇灌而成，而路基也不用碎石，而是铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上，这也进一步提高了列车行驶的稳定性。

轨道像航线一样直

飞机为什么快？除了飞得快，线路笔直也起到很大的作用。京沪高铁几乎就是一条像飞机线路一样的直线。

路线为什么会直呢？其实京沪高铁除了车站和部分线路的条件限制没办法架桥外，其余的线路都是建在桥梁上，“以桥代路”的线路占去一大半。也就是说，隧道和弯道少了，列车大部分时间都行驶在架空的直的铁路线上。

另外，高铁的密闭空间、流线车型等也都给高铁的提速增色不少。

将来的高铁会越来越快吗？

目前我国高铁的试验速度最高可达到605km/h，运营速度在300km/h左右，那么，随着技术的发展，将来高铁的速度会越来越快吗？其实并不然。我们都知道，速度越大，阻力越大。研究表明，当速度超过300km/h时，运行阻力的80%以上均为空气阻力，当速度达到350km/h～400km/h时，空气阻力将占运行阻力的绝大部分。根据科学家Davis描述的水平轨道上列车运行的阻力与运行速度的定量关系，列车运行阻力随着速度的增加而迅速增加，当速度足够高时，空气阻力与速度的平方成一定的比例。所以列车在高速运行过程中会有两个阶段性的突增：一是当列车的速度在250km/h～300km/h时，阻力增加较快；二是当列车的速度超过300km/h以上时，阻力增加极快。由此可见，列车高速运行到250km/h以上时，列车能耗增加幅度较快，当运行到300km/h以上时，列车能耗就会急剧增加。这也意味着高铁的速度越快，能耗就越多，那么票价也要相应提高。而建设高铁的目的是为了给人们的出行提供方便、优质的服务，但当票价超出了人们出行的经济预算时，就会本末倒置了。