火車沒有轉向系統，如何在彎曲的軌道上行駛？想換軌道怎麼辦？

火車沒有轉向系統 它如何在彎曲的軌道上順利行駛呢? 我們都知道 汽車的輪子呈現圓柱形 在汽車轉彎時 外徑車輪走過的距離要比內徑車輪長 因此汽車工程師設計了差速器 用以調節輪子在轉彎時 以不同的速度旋轉 保持內外輪子在不同行駛距離上的平衡 然而近距離觀察火車車輪 你會發現 火車的左右兩邊輪子 是通過中心軸剛性連接的 雖然能起到很好的承重效果 但是也導致了 車輪沿著軌道無論直行還是轉彎 兩邊的輪子的轉速與行駛距離 都是一致的 所以當火車車輪呈現圓柱形時 在此架構下 我們可以看出 圓柱形車輪不論是直行還是倒車 都可以流暢地直線行駛 但一旦進入彎道 由於沒有轉向力就會脫軌 那麼問題來了 火車是如何實現轉向的呢? 仔細觀察 你會發現火車輪子並非圓柱形 而是圓錐形 對於一個圓錐形車輪 由於其兩個橫截面圓軸長度不同 圓軸長較大的一方 將要比另一方行駛更長的距離 因此車輪始終會自動轉向 圓軸長較小的一方 利用圓錐形車輪 可以很容易地實現曲線運動 不過這樣的車輪是無法走直線的 而火車需要既能走直線 還能走曲線 這是如何實現的呢? 火車在直線和彎道上穩穩行駛 卻從未脫軌 你知道這背後的祕密嗎? 火車的輪子不同於普通車輪 不是圓柱形 而是半錐形 鐵軌也不是垂直於地面 而是略微向內傾斜 這種設計增加了軌道與車輪之間的接觸面 可以減少車輪和鐵軌的磨損 這樣的設計還帶來了另一個重要特徵 這也是火車能曲線行駛的關鍵 當火車直線行駛時 兩個車輪和鐵軌的接觸點位置相同 所以兩邊輪子直徑也相同 就像一個圓柱體 可以直線滾動 當火車進入曲線軌道會怎樣呢? 因為車輪是半錐形的 車輪和鐵軌的接觸點上 反作用力是向內傾斜的 我們把它拆分成水平和垂直兩個分量 綠色代表水平受力 紅色代表垂直受力 火車行駛時 如果車輪向左側發生了偏移 左側水平反作用力就會增加 右側減少 此時車輪會向右移動 重新回到軌道中間的正確位置 如果車輪向右發生了偏移 也是類似情況 不過如果偏移超出一定的幅度 車輪就會脫軌 所以每個輪子的內側 都會有一圈凸起的邊緣來確保安全 當火車進入一個向右的彎曲軌道時 火車車輪將會向左側偏移 車輪和鐵軌的接觸點將會改變 左側輪子接觸點的直徑 將會大於右側 輪組整體就像一個半錐體一樣 會朝著直徑小的一側來轉彎 利用這個原理 火車車輪就可以在彎曲的軌道上 自由行駛 順利地實現向左或向右轉彎 是不是很神奇 不過當火車需要從一條軌道 行駛到另一條軌道時 又該怎麼辦呢 發明鐵路倒叉的人真是個天才 當需要改變火車行進方向時 工作人員只需操作倒叉 就能引導火車進入新軌道 火車變軌的關鍵在於轉折器 這個設備就是肩軌式轉折器的主要部分 它能把倒叉的肩軌向這樣兩邊移動 比如肩軌向左邊靠攏 也就是紅色的部分向左邊移動 此時火車可以由直行軌道 變換至向右轉彎的彎曲軌道 當火車到達此處時 可以看到左側輪子的輪源 會引導火車進入肩軌 而右側的輪源則會保持原有的軌道 從肩軌的縫隙中駛過 相反 如果轉折器把肩軌移動至右側 那麼火車將會向左側行駛 就像這樣保持直線 這種結構不僅可以用在單開倒叉 還可以在多開倒叉中實現 除了肩軌式以外 還有純軌式 就是軌道固定 不需要外力協助來幫助火車變軌 通常都是在軌道的交叉口處 為了防止連接點處發生意外 則在交叉軌道的兩邊添加了兩根護軌 倒叉裝置的精妙設計 讓火車能夠在複雜的鐵路網絡中 輕鬆切換軌道 下次你乘坐火車時 不妨留意一下窗外的倒叉 去感受這份簡單又精巧的技術魅力 關注胖虎 看更多趣味科普 咱們下期再見