你以为是轮缘卡住了轨道,火车才不会脱轨?错

时间:09-15来源:作者:点击数:

我们经常会凭借自己的想当然去理解周围的事物,并坚信自己的理解是正确的,所以很多精妙绝伦的设计都被我们所忽视了,比如火车就是一个典型的例子。

早在19世纪初,火车就随着蒸汽机的诞生而诞生了,火车的诞生使人类的运输方式发生了根本的改变,对促进人类文明的加速发展具有着重要的意义。看似粗大的火车实际上却是一种设计极其精妙的机器,只不过很多人并没有注意到而已,比如你想没想过,火车为什么不会脱轨呢?人类充满了好奇心,喜欢去了解周围事物的内在原理,但很少有人会思考火车为什么不会脱轨,因为大多数的人只凭自己所看到的就推断出了这个问题的答案,火车的轮子从正后方看起来是一对躺倒的“T”字型,所以人们理所当然的认为是T的帽子卡住了轨道,所以火车才不会脱轨,其实并非如此。

火车的车轮呈现躺倒的“T”字型,而这个T的帽子有一个专门的名词,叫做轮缘。

任何人看到这样的轮子都会理所当然的认为是轮缘卡住了轨道,但只要我们亲手做一个实验就会发现单靠轮缘是卡不住轨道的,特别是在转弯的时候,脱轨几乎是一种必然。那么到底是什么力量让高速行驶的火车能够始终在轨道上运行,而不会飞出去呢?奥秘其实还在火车的车轮上。

乍一看,火车的车轮好像和汽车的车轮一样,是一个躺倒的圆柱体,实际上不是。火车的车轮并不是一个圆柱体,而是一个圆锥体,靠近轨道内侧的部分宽,而靠近轨道外侧的部分窄,所以左侧的车轮会在重力的作用下向右滑,而右侧的车轮则会向左滑,于是火车就在重力的作用下被牢牢束缚在了轨道上。

如果注意观察行驶中的火车就会发现,火车两侧的轨道始终位于两个车轮的中间位置,而很多人以为用来卡住轨道的轮缘,实际上几乎不与轨道发生接触,我们可以把轮缘的存在看作是一种保险,在特殊的情况下为避免火车出轨贡献一份力量。

说完了火车为什么不会脱轨,再来说说火车为什么能够转弯。这个问题听起来好像有些无聊,火车能够转弯当然是因为轨道转弯啦。其实问题没有这么简单,即使轨道转弯了,也并不代表火车就能够顺利转弯。其实不仅火车,任何车辆在转弯的时候都面临着一个相同的问题,那就是两侧的车轮转速是一样的,但行进的路程却不一样。比如我们向右转的时候,两侧的车轮会画出两个弧线,但两个弧线的长度并不一样,右侧车轮经过的路程短,而左侧的车轮经过的路程长。

如果车辆两侧的车轮转速是一样的,但是需要在相同时间经过的路程不一样,这是绝对无法做到的,所以不解决这个问题,车辆是无法顺利转弯的。

不过这个问题对于汽车而言是相对容易解决的,只要在两个转向轮中间安装差速器,让转弯时外侧车轮转速稍快就可以解决这个问题。但火车是没有办法安装差速器的,因为火车的两侧车轮是由同一根车轴所连接的,那么火车怎么转弯呢?奥秘还是在火车的车轮上,我们已经知道了火车的车轮并不是圆柱形,而是圆锥形,而这种圆锥形的设计不仅能够保证火车不会脱轨,还为火车转弯提供了便利。还是让我们举一个实际的例子来进行说明。

当一辆火车开始向右转的时候,火车的轨道便不再位于两侧车轮的中间位置,右侧的轨道会贴近车轮的内侧,而左侧的轨道则会贴近车轮的外侧。

由于火车的车轮是圆锥形的,外侧的周长小,而内侧的周长大,所以虽然两侧车轮的转速是一样的,但是由于左侧的轨道是与周长更大的车轮内侧相接触,而右侧的轨道是与周长较小的车轮外侧相接触,所以在相同的转速下,左侧车轮所经过的路程就要比右侧车轮更长,恰好满足了火车转弯时左侧轨道路径比右侧轨道路径更长的问题,使得火车可以实现顺利转弯。就是这样一个圆锥形的车轮,既能够保证火车不会脱轨,又能够保证火车可以顺利转弯,不可谓不是一个精妙绝伦的设计。

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