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5 为什么磁悬浮列车没有车轮?

了不起的物理 严伯钧 951 2024-10-22 05:00

  

  上海浦东机场有磁悬浮列车,它的最高运行速度可以达到430km/h,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。

  另一个阻力来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,把列车升高少许距离,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,车就会被前方铁轨向前吸引。类似地,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1000km/h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(Hyper Loop)的概念就呼之欲出了。

  

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