火车运行与维护中的力学现象分析

齐哲

山东泰安英雄山中学

火车运行与维护中的力学现象分析

齐哲

山东泰安英雄山中学

作为人类历史上具有划时代意义的机械交通工具，火车为人类文明的进步起了重要的推动作用。铁路列车，俗称火车，从外形来看，它由数量不等的一节节车厢和车头连接而成，从行驶方式来看，它只能在铁轨上奔驰。一百多年来，火车缩短了城市与城市间的距离，扩大了人们的出行圈子，拉动了经济的飞速发展。本文主要从物理力学角度对火车运行与维护做一些简要的剖析,以加深学生对铁路这个车-线-网-气流体系中涉及到的力学问题的理解。

火车运行；火车维护；力学现象；分析

清朝末年，蒸汽机车进入中国，1881年中国工人成功试制第一台0-3-0型的蒸汽机车，一百三十年后，在中华大地上，世界最长的京沪高铁横空出世，百年光景见证了中国火车发展的辉煌。不断在提速的列车，使人们的生产、生活发生了日新月异的变化，可以说在经济腾飞的过程中，火车这一重要交通工具功不可没，然而，不可否认的是火车也存在着不小的安全隐患，粗略算来，列车车身的自重加上乘客、货物的分量，通常高达千余吨甚至是数千吨，在列车高速运行时，铁轨一旦被发现异常状况，往往刹车制动会不及时。在生活中，我们常常会感觉到火车在启动时会先倒一下，再慢慢向前走；火车运行时如果速度降低即制动，人的身体会不自觉的倾斜；火车转弯时速度会被调节，这些现象中蕴含着什么样的物理原理呢，接下来我们就逐一分析一下。

一、火车启动

相信很多人都乘坐过火车，一般在火车启动的时候能听到“咣当”的响声，它的声音源就是启动时车厢之间的挂钩相互碰撞。火车在启动时总是先倒一下，再向前走，接下来我们就分析一下这个现象所蕴含的力学原理。火车在静止状态下受力比较简单只有一个支撑力和重力。那么列车想要启动向前走，就必须克服铁轨对车身的摩擦力，摩擦力又与火车重量有关系。一般来说，火车停下时，每一节的车厢和车厢之间挂钩是紧绷的，火车头产生的牵引力要足够达到能够克服轨道对整列火车所有车身的最大静摩擦力才可以。车身几千吨的重量，其最大静摩擦力也是超大的，整体牵引起来比较困难。先倒一下车，使得车厢之间的距离稍微缩短一下，各个车厢之间的挂钩由紧绷变成松弛的，这样火车再往前开的时候，车厢是一节一节被拉动的。即火车头率先带动第一节车厢，只要牵引力足够拉动第一节车厢车身的最大静摩擦力就行了；第二节车厢被启动时，牵引力需要克服的是第二节车厢车身的最大静摩擦力和第一节车厢向前滚动时的一个滚动摩擦力，我们知道，滚动摩擦的系数与静摩擦的悉数相比微不足道，也就是说，克服每一节车厢动起来后的滚动摩擦力所需要的牵引力远远小于克服所有车厢的最大静摩擦力所需要的牵引力。因此，先向后倒一下车，火车更容易开出。

二、火车制动

火车制动，简单讲就是制止火车继续前进，包括减速、停车、不加速等运行状态。火车的制动设备就是人们常说的车闸，火车的闸由机车和车辆制动装置共同组成，机车制动装置用来操纵整个列车的多节车厢。还有另一个概念就是制动距离，制动距离就是从开始制动算起一直到火车完全停止所驶过的距离。制动距离是反映火车安全性能和制动效能的关键性指标。火车本身车身的重量相当大，再加上火车的运行速度快，这都限制着火车制动技术的提升。火车的制动靠风，火车的风是靠装在机车内的空气压缩机来产生的,贮存在机车的总风缸内,然后由均衡风缸均压,一般为600KPa,这些风由总风管传递到各个车厢,总风管就在每两节车厢连接处,在车钩的旁边,当火车刹车的时候,司机打开制动阀,风就从这根管子里压到各车厢的制动缸里,推动活塞运动,活塞是和制动的闸瓦连在一起的,所以闸瓦就紧紧地抱住车轮,从而使火车停下来。火车没有方向盘的，也没有挡位。火车上控制速度的是手柄，它控制的是柴油机的转速，柴油机带动发电机发电，发电机再驱动轮子上的电动机来驱动车轮。如果用机械变速是没有什么金属可以承受的住这么大的扭矩。所以火车没有变速箱，火车的方向是轨道控制，轨道由调度控制。

三、火车转弯

在物理课本上介绍生活中的圆周运动时，教材把火车在拐弯时，车身所需要的向心力总结成了轮缘对车身的弹力，我认为，这应该是简化分析的结果，它忽略了轨道和车轮之间的动摩擦因数是变化的这样一个客观事实。当火车转弯时，如果速度很大，轮缘会挤压外轨，但是如果火车用很小的速度转过弯道，受轮缘挤压的应该是内轨。还有另一种情况，速度在某一区间内，即刚好使受挤压的轨道由内轨向外轨过渡的临界点，静摩擦力也会在火车转弯的时候提供向心力，此时，轨道对轮缘没有挤压力。在分析过程中，我们应该将火车转弯问题按照轨道进行分类，一类是火车在水平弯道上的拐弯，还有一类是火车在倾斜的轨道上完成拐弯动作。

这些就是我总结出的一些简单的火车运行和维护中的力学现象，在对这些想象进行分析的过程中，我更深刻地理解了力学的许多概念和原理，同时，也学会了怎样去将日常所学与生活实际相联系，更被物理这门学科深深地吸引。现实生活中还蕴含着许多类似的案例，我们要学会透过现象去研究本质，向物理学家们学习，不断地积累自己的本领，将来为社会贡献更多的力量。

[1]史会.火车“咣当”噪声的力学分析及消除方法[J].商丘职业技术学院学报,2006,（05）:65-67.

[2]张霞,康鹏桂,周克媛,曹晓俊,韩远飞.火车车轮喷砂机自动夹持器圆柱凸轮有限元模态分析[J].工业仪表与自动化装置,2016, 03:90-92.

齐哲，女，年龄17岁，山东泰安英雄山中学学生，从小酷爱钻研，对数学物理很感兴趣，同时爱好广泛，书法10级，笛子七级，吉他七级，高中阶段，文化成绩名列级部前茅，并担任班级文娱委员和物理课代表。