了不起的物理

5 為什麽磁懸浮列車沒有車輪?

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上海浦東機場有磁懸浮列車,它的最高運行速度可以達到430km/h,這個速度有多快呢?北京到上海,兩個小時就到了。磁懸浮列車為什麽能跑得那麽快?

想要交通工具跑得快,就要減小阻力,而阻力有兩個主要來源,一個阻力來源是與空氣的碰撞和摩擦。高鐵都是“子彈頭”列車,是因為能夠有效地減小空氣阻力。當空氣迎麵襲來的時候,空氣與車頭表麵並非垂直碰撞,因此空氣並非100%阻礙列車的運動,跟一輛方形的列車比起來,子彈頭列車經受的空氣阻力就小得多。

另一個阻力來源於車輪與鐵軌之間的摩擦。磁懸浮列車就是在列車和鐵軌上都通上電流,電流可以產生磁場,再利用磁場同性相斥的原理,把列車升高少許距離,使其與鐵軌脫離接觸,車輪與鐵軌沒有了接觸,自然也就沒有了摩擦。

但問題來了,車輪跟鐵軌接觸產生的摩擦力,同時也是列車前進的動力來源,不接觸鐵軌,車沒有地方借力,就隻能懸浮在空中,並且磁懸浮列車是沒有車輪的,它要怎麽前進呢?答案是通過操控電流,讓鐵軌磁場的南北極沿著鐵軌交替排列。再通過控製車身上的電流,讓列車上的磁場分布像一根磁鐵一樣,當車頭的磁極跟前方鐵軌的磁極相反時,車就會被前方鐵軌向前吸引。類似地,當車尾磁極跟後方鐵軌的磁極相同時,車就會被後方鐵軌向前排斥,前麵拉、後麵推,車就動起來了。

但由於鐵軌上的南北極是沿著鐵軌交替分布的,所以當車向前運行時,車頭和車尾的磁場要不斷掉轉方向,才能保證車前的鐵軌一直是吸引的,車後的鐵軌一直是排斥的,這樣才能不斷前進,這就是磁懸浮列車的原理。

消除了車輪與鐵軌的摩擦這個主要的阻力來源,磁懸浮列車就可以開得非常快。同理,飛機能達到將近1000km/h的飛行速度,就是因為阻礙飛機飛行的隻有空氣阻力。但是磁懸浮列車的使用成本非常高,尤其是鐵軌要全程通電,並且要讓鐵軌上的磁場交替分布,所以磁懸浮列車的造價和運營、維護成本特別高,並不適合超長距離的城際甚至省際交通。