高速列车物理学

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星期三晚上,一辆从马德里前往西班牙西北部的费罗尔的火车在即将进入圣地亚哥德孔波斯特拉火车站时出轨

至少有七十八人遇难,数十人受伤

事故的视频显示火车进入曲线似乎是一个高速;乘客车离开发动机并脱轨,而发动机在轨道上停留几秒钟之前,也离开轨道并撞到墙壁

非官方的报道声称火车的行驶速度达到每小时一百二十英里的轨道,仅为50 m.p.h.与日本的新干线或法国的T.G.V.不同,马德里 - 费罗尔路线是专用轨道,与Amtrak的Acela Express非常相似

只有部分轨道配置为高速行驶;其余部分与较慢的列车共用,并且只能处理更受限制的速度

高速铁路是一个笼统的术语,有几个定义

联邦铁路管理局表示它起始于一百零十分钟,而国际铁路联盟则说一百五十五分钟

但无论人们喜欢哪种定义,轨道本身都必须经过精心设计,以应对高速移动的多吨列车对其施加的物理力

其中一种力是离心(“从中心逃离”)力,使身体在弯曲路径上的惯性想要以直线向外延伸

这是让乘客坐在环形过山车上的座位,并将无担保的孩子从旋转木马上扔下来的原因

离心力是列车速度的平方除以曲线半径的函数;曲线越小越紧,或者火车越快,离心力越大

随着它的增加,越来越多的火车重量被转移到赛道最外边缘的车轮上,即使是最好的火车也难以应对

这就是最小曲线半径和超高程或银行概念的概念所在

存储曲线,其中轨道的外边缘高于内边缘,平衡列车悬架上的载荷

由于重力将火车向下拉,并且离心力将火箭向外拉,因此以直角倾斜的轨道可以在火车的内外轮之间更均匀地分散力,并有助于将火箭保持在轨道上

但是,在人们离开座位之前,客运列车只能在此之前倾斜才能解决问题

因此,最小曲线半径发挥作用

想象一下,轨道的弯曲部分实际上沿着大圆圈的外边缘延伸

要确保只用合理数量的银行可以管理列车的离心力,这个圈子有多大

计算这些力和抵消它们的方法相对容易,因此为某种轨道设置安全的最大速度相对容易

是的,严重维护的赛道,火车或信号有时会导致脱轨

然而,从历史上看,世界上最严重的火车事故发生在急剧弯道上 - 1918年纽约市地铁系统Malbone Street的残骸造成至少93人死亡(数字不等),或西班牙瓦伦西亚的地铁出轨,在2006年,造成四十三人死亡的原因仅仅是因为火车开得过快

在圣地亚哥德孔波斯特拉事故中似乎就是这种情况:每小时50英里的轨道几乎不需要银行业务,曲线半径可以达到1.500英尺,而以每小时120英里的速度行驶的火车则需要轨道具有重要的银行业务,最小曲线半径超过一英里半

物理定律几乎确保在重力和离心力之间的这场特殊战斗中,后者将获胜

作者:阎队