火車的車輪

我們都知道，汽車是有方向盤的。當(dāng)我們需要轉(zhuǎn)彎時，向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)動方向盤，車的前輪就會在傳動機構(gòu)的帶動下往這個方向偏轉(zhuǎn)。這個時候處于外側(cè)的車輪運動的距離比內(nèi)側(cè)大，汽車就可以穩(wěn)定地轉(zhuǎn)彎了。

汽車轉(zhuǎn)彎時各個車輪的狀態(tài)

汽車的前輪在運動時可以不在同一個軸線上旋轉(zhuǎn)，這通常是汽車可以轉(zhuǎn)彎的前提。但火車的車輪卻不是這樣，它的每一對鋼質(zhì)車輪都被緊緊地固定在同一個軸上，在任何時候，這一對相同大小的車輪轉(zhuǎn)動的角速度完全相同，并且火車沒有方向盤，它意味著車輪只能沿著直線方向朝前走。那么火車是怎么做到轉(zhuǎn)彎的呢？

一列正在轉(zhuǎn)彎的火車

原來，火車的車輪表面并不是圓柱形，它實際上是一個圓錐面，內(nèi)側(cè)大一些，外側(cè)小一點。而鐵軌的安裝也并不是水平的，它會向內(nèi)側(cè)傾斜一個比較小的角度，以使壓力通過其中心向下傳遞到下方的枕木上。

車輪是一個斜的錐面

為什么要這樣做？

你可能會好奇，為什么要這樣做呢？難道把車輪做平、鐵軌放平，重力垂直向下不好嗎？其實早期的火車車輪就是平的，鐵軌也是平放。但由于車輪與軌道之間不能卡死，在平路上行駛時它不但會左右飄，導(dǎo)致車輪內(nèi)邊緣撞擊鐵軌，當(dāng)列車轉(zhuǎn)彎時，大部分的離心力會施加到車輪內(nèi)緣與鐵軌側(cè)面，導(dǎo)致車輪與鐵軌的嚴重磨損。更加嚴重的是，它很容易脫軌。

而將車輪做成錐面時，情況便大不相同。

錐面車輪向右轉(zhuǎn)彎時的情形

從上圖我們可以看出，當(dāng)車輛向右轉(zhuǎn)彎時，離心運動的力會將列車向左側(cè)推，這使得左邊車輪的內(nèi)側(cè)更靠近鐵軌，而右邊車輪的外側(cè)會與鐵軌接觸。車輪是椎體，它的外側(cè)半徑小于內(nèi)側(cè)半徑，這意味著在轉(zhuǎn)動同樣角度的情況下（兩側(cè)車輪是固定在一起的），左側(cè)車輪行駛的距離比右側(cè)車輪更長。我們知道鐵路彎道外側(cè)的鐵軌總是長于其內(nèi)側(cè)鐵軌，只要兩邊車輪行駛的距離與鐵軌的長度相對應(yīng)，列車就不會發(fā)生漂移，轉(zhuǎn)彎便是順其自然的結(jié)果。

錐形車輪使轉(zhuǎn)彎變得自然

當(dāng)火車在平直的道路上行駛時，錐形的車輪會最大限度地保證車輛處于動態(tài)平衡的狀態(tài)。因為當(dāng)車輪向一側(cè)偏移時，由于其兩側(cè)車輪與鐵軌間接觸半徑發(fā)生變化，它會自然向另一側(cè)做調(diào)整運動以尋找平衡，從而保證了車輪內(nèi)邊緣不會與鐵軌擦碰。

車輪在軌道上行駛時的動態(tài)平衡

俯視角度的動態(tài)平衡

火車是如何轉(zhuǎn)彎的？

盡管火車的車輪是兩兩固定在一起轉(zhuǎn)動，但如果將所有的車輪都固定安裝到車身上，列車也是無法轉(zhuǎn)彎的。這時候我們需要利用轉(zhuǎn)向架。

轉(zhuǎn)向架在轉(zhuǎn)彎時的作用

如果沒有轉(zhuǎn)向架會發(fā)生什么后果？我們看下面這張圖就可以知道：

沒有轉(zhuǎn)向架很容易脫軌

列車的轉(zhuǎn)向架通常安裝在車廂前后兩端附近，每個轉(zhuǎn)向架裝配兩對輪軸，以保證每個車輪都與鐵軌有緊密接觸。

列車底部的轉(zhuǎn)向架

防止脫軌的其它措施

有了錐體的車輪，有了轉(zhuǎn)向架就可以保證列車不脫軌了嗎？并非如此。列車在軌道上的安全行駛受到很多因素限制。

通過前文的介紹，我們不難發(fā)現(xiàn)，即便將列車的車輪做成了錐體，由于它內(nèi)外緣的半徑相差不大，因此列車的轉(zhuǎn)彎半徑也會受到限制。同時，火車能否安全地通過彎道還取決于列車自身的載重和它運行的速度。如果鐵路的轉(zhuǎn)彎半徑過小、車速過快，都將導(dǎo)致列車脫軌的事故。

轉(zhuǎn)彎半徑過小意味著車速受到嚴格限制

當(dāng)受到自然條件的限制無法做到更大的轉(zhuǎn)彎半徑，當(dāng)重型火車繞彎道轉(zhuǎn)彎時，反作用離心力會產(chǎn)生負面影響：乘客和貨物可能會感到向外側(cè)的力量，內(nèi)外軌道會不均勻地磨損，并且不充分錨定的軌道可能會移動。為了獲得更快的速度，還要保證安全，就需要將一側(cè)的軌道抬高，以平衡列車轉(zhuǎn)彎時的離心力。這種軌道的抬升被稱為彎道超高。