动车“相斥力”会有多大？

xiaoqh119 · 发表于 2010-12-5 13:14:46

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前不久，在青岛出差返回的途中，在常州坐了一段高铁，发现一个很奇怪的现象：对面驶来一辆高速列车时，车厢被轻微地顶起，确切地说，是“相斥”。后来，再从上海坐动车至福州，动车上有显示时速，经仔细观察发现：大约200Km/h时（异向会车，以下无特殊注明均指该情形），有“相斥”的感觉；当达到峰值249Km/h时，列车车厢一侧有明显被推动或被托起（发生了较大位移）的感觉，这到底为什么呢？如果速度再快会有什么影响呢？486.1Km/h时会是什么感觉呢？
这个问题让我想起了两个物理现象，“两张纸拿在手中，往中间吹气时，纸张会‘相吸’”，“两艘轮船同向高速行驶时，会发生碰撞”，那么，高速异向行驶的列车为什么会“相斥”而不是“相吸”？为什么明明是高速的气流，其内部压力反而低？带着这些疑问，我开始用心地思考查阅资料。
终于，有一个理论让我彻底地想通了以上所列的所有现象和问题，那就是“伯努利定律”——对于等高的理想流体：动能+压力势能=常数。
解释现象1、纸张相吸：中间有动能（正数），压力必然减小，外侧动能为0，外压（大气压）大于内压，所以相吸。
解释现象2、同向轮船相撞：中间水流同向，动能几乎双倍叠加，内侧压力同等下降；外侧仅单倍动能，压力相对内侧要高，所以，压差推动轮船向内侧挤压。
解释现象3、工业用“真空吸盘”和“真空发生器”就是利用高速气流从管道中通过，一个毛细旁路产生“负压”，速度越快，动压越高，产生的“负压”就越大，当大气压与管路内的压力差达到一定值时，即可将重物吸起，他们之间的计算方法可通过伯努利方程求得“负压”。
解释现象4、压力差托起飞机：飞机起飞时，机翼必须向上摆（即仰角大于0），根据伯努利定律，气流为层流时，上截面层流面积减小，气流速度会相应提高（动压大），则顶部气流压力（静压）会减小，当仰角大于一定角度，飞机速度足够快时，上下气流压力差，将托起飞机，使其在空中飞行。
解释现象5、异向高速列车“相斥”的问题，也是本文真正论述的重点，如下图

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在列车之间由于有相反方向的气流，相互冲击，部分风速大大削弱（跟列车间距有关），并形成紊流，动压大大的降低，根据伯努利方程的能量守恒，静压将同等大大的提高，而且，紊流会对两侧形成附加推力，由于外侧气流未受影响，静压将保持“会车”前的数值，由于内侧压力提高，它们之间的压差乘以列车重叠的有效面积，就是气压对列车产生的推力F=ΔP*A。
这个力到底有多大呢？
已知：轨道宽度B1=1.435m，车厢高度h=3m，列车单节车厢长度
l =24m，车厢宽度 B2=3.7m,车厢重量G=21t。
根据《高速动车试验规范》第25条“空气动力学试验”的25.3项规定“车窗玻璃外表面的压力波幅值应小于4000Pa”
假设产生压差ΔP=2000 Pa
则单节车厢的推力F=2000 N/㎡*3 m*24m=14.4 t
如果，这个力作用在车厢上到底会产生多大影响呢？
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假设车厢是空的（临界条件），则重力对O点产生的力矩
M1=21t*0.7175m=15 t*m
压力对O点产生的力矩
M2=14.4t*1.5m=21.6 t*m
由于M2> M1，列车受压力影响，将倾覆，说明内外压力差不可超过2000Pa。
那么，内外压力差受什么影响呢？个人认为，主要与列车速度和两列车之间的间距有关。
之前提到的249Km/h时，列车车厢一侧有明显被推动或被托起的感觉，说明钢轨间距已处于临界甚至超临界状态。如今列车速度达到惊人的486.1Km/h，如果钢轨间距加的不够大时，将会产生多大的“震撼力”呢，还是让“勇者”先体验吧。

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zjjxtch · 发表于 2010-12-5 21:28:04

本帖最后由 zjjxtch 于 2010-12-5 21:34 编辑

火车与汽车不一样它靠左行驶也含有这方面的原理，南北行驶的时候还与地球的旋转有关。

zjn120591140 · 发表于 2011-4-21 14:07:33

受用不小啊，谢谢！

koalabear · 发表于 2011-4-21 18:57:44

楼主很爱钻研啊。坐动车但没注意过。下次注意一下。

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