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为什么磁悬浮列车没有车轮?

2021-09-10严伯钧

小读者之友 2021年8期
关键词:空气阻力磁悬浮列车铁轨

严伯钧

上海浦东机场有磁悬浮列车,它的最高运行速度可以达到430千米/小时,这个速度有多快呢?北京到上海,两个小时就到了。磁悬浮列车为什么能跑得那么快?

想要交通工具跑得快,就要减小阻力,而阻力有两个主要来源,一个阻力来源是与空气的碰撞和摩擦。高铁都是“子弹头”列车,是因为这样能够有效地减小空气阻力。当空气迎面袭来的时候,空气与车头表面并非垂直碰撞,因此空气并非能100%阻碍列车的运动,跟一辆方形的列车比起来,“子弹头”列车经受的空气阻力就小得多。

另一个阻力源于车轮与铁轨之间的摩擦。磁悬浮列车就是在列车和铁轨上都通上电流,电流可以产生磁场,再利用磁场同性相斥的原理,把列车升高少许,使其与铁轨脱离接触,车轮与铁轨没有了接触,自然也就没有了摩擦。

但问题来了,车轮跟铁轨接触产生的摩擦力,同时也是列车前进的动力来源,不接触铁轨,车没有地方借力,就只能悬浮在空中,并且磁悬浮列车是没有车轮的,它要怎么前进呢?答案是通过操控电流,让铁轨磁场的南北极沿着铁轨交替排列;再通过控制车身上的电流,让列车上的磁场分布像一根磁铁一样,当车头的磁极跟前方铁轨的磁极相反时,车就会被前方铁轨吸引向前,当车尾磁极跟后方铁轨的磁极相同时,车就会被后方铁轨向前排斥,前面拉、后面推,车就动起来了。

但由于铁轨上的南北极是沿着铁轨交替分布的,所以当车向前运行时,车头和车尾的磁场要不断掉转方向,才能保证车前的铁轨一直是吸引的,车后的铁轨一直是排斥的,这样才能不断前进,这就是磁悬浮列车的原理。

消除了车轮与铁轨的摩擦这个主要的阻力来源,磁悬浮列车就可以开得非常快。同理,飞机能达到将近1000千米/小时的飞行速度,就是因为阻碍飞机飞行的只有空气阻力。但是磁悬浮列车的使用成本非常高,尤其是铁轨要全程通电,并且要让铁轨上的磁场交替分布,所以磁悬浮列车的造价和运营、维护成本特别高,并不适合超长距离的城际甚至省际交通。

在解决了车轮与铁轨的摩擦这样一个主要阻力来源后,列车的速度要继续提升,还要减小的就只剩空气阻力了,于是,超级高铁的概念就呼之欲出了。

我国贵州省铜仁市已经开启超级高铁的项目了,最终目标是要建成时速4000千米的超级高铁。这个速度比一般的超声速飞机快得多。超级高铁,英文叫“Hyper Loop”,这个概念最早是由美国企业家、人称现实版“钢铁侠”的埃隆·马斯克提出来的。

超级高铁的厉害之处,不光在于速度快,单纯的速度快并不难,宇宙飞船早就能达到1万千米以上的时速。超级高铁难在保证速度快的前提下,还要经济适用,因为发射宇宙飞船这种项目可以不计成本,但民用的交通工具必须让大家用得起。

速度快的交通工具,最大的成本是能耗,传统高铁的能耗主要来自克服运动遇到的阻力。超级高铁采用的是磁悬浮的方案,通过强磁场让列车悬浮在轨道上两厘米的地方,这样列车就跟地面没有了摩擦。解决了地面摩擦问题以后,还剩空气阻力。空氣阻力的影响其实非常大,因为当列车运行起来以后,空气阻力的大小跟列车运行速度是平方关系,也就是当列车的速度变成原来的两倍时,它受到的空气阻力就会是原来的四倍,所以速度越快,阻力就越大,提速也就越难。这就是为什么我国高铁列车从300千米的时速,提升到现在“复兴号”列车350千米的时速用了很长时间。别看速度提升的比例不大,空气阻力其实变大了不少,相应的能耗也会更大,技术上就需要更多的时间去研发如何让空气阻力减小的方案。

为了解决空气阻力的问题,超级高铁是在密闭管道中运行的,把管道中的空气抽走,这样超级高铁在几乎没有空气阻力的情况下运行,时速达到4000千米也就不难了。

其实超级高铁有过别的方案。因为抽真空非常费事,同时还要保证管道里面不漏气,操作起来难上加难,并且成本会很高。如果不抽真空,列车动的时候就让管子里吹一阵大风,让风速和车速保持一致,这样的话车跟空气没有相对运动,也就没有了空气阻力。但这个方案在列车调度上存在大问题,因为管道里不可能只有一辆列车,所有列车不可能同开同停。如果有开有停的话,空气会经历局部压缩,它不会跟所有列车都没有相对运动,也就无法达到最初的目的。从实际操作来讲,管子里面刮阵大风的方案听着不错,但是很不实用,因此现在超级高铁所采用的都是抽真空管道的方案。

现在全世界大概只有两三个地方在做超级高铁的项目,除了我国贵州,还有美国内华达州。也许在十年内我们就能坐上超级高铁,可能届时飞机的使用率会大大降低。

(余娟摘自《了不起的物理》,有删改)

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