Question

火车在铁轨上运动车轮的运动是平移还是旋转

Answer 1

我们都知道，汽车是有方向盘的。当我们需要转弯时，向相应的方向转动方向盘，车的前轮就会在传动机构的带动下往这个方向偏转。这个时候处于外侧的车轮运动的距离比内侧大，汽车就可以稳定地转弯了。

汽车转弯时各个车轮的状态

汽车的前轮在运动时可以不在同一个轴线上旋转，这通常是汽车可以转弯的前提。但火车的车轮却不是这样，它的每一对钢质车轮都被紧紧地固定在同一个轴上，在任何时候，这一对相同大小的车轮转动的角速度完全相同，并且火车没有方向盘，它意味着车轮只能沿着直线方向朝前走。那么火车是怎么做到转弯的呢？

一列正在转弯的火车

原来，火车的车轮表面并不是圆柱形，它实际上是一个圆锥面，内侧大一些，外侧小一点。而铁轨的安装也并不是水平的，它会向内侧倾斜一个比较小的角度，以使压力通过其中心向下传递到下方的枕木上。

车轮是一个斜的锥面

为什么要这样做？
你可能会好奇，为什么要这样做呢？难道把车轮做平、铁轨放平，重力垂直向下不好吗？其实早期的火车车轮就是平的，铁轨也是平放。但由于车轮与轨道之间不能卡死，在平路上行驶时它不但会左右飘，导致车轮内边缘撞击铁轨，当列车转弯时，大部分的离心力会施加到车轮内缘与铁轨侧面，导致车轮与铁轨的严重磨损。更加严重的是，它很容易脱轨。

而将车轮做成锥面时，情况便大不相同。

锥面车轮向右转弯时的情形

从上图我们可以看出，当车辆向右转弯时，离心运动的力会将列车向左侧推，这使得左边车轮的内侧更靠近铁轨，而右边车轮的外侧会与铁轨接触。车轮是椎体，它的外侧半径小于内侧半径，这意味着在转动同样角度的情况下（两侧车轮是固定在一起的），左侧车轮行驶的距离比右侧车轮更长。我们知道铁路弯道外侧的铁轨总是长于其内侧铁轨，只要两边车轮行驶的距离与铁轨的长度相对应，列车就不会发生漂移，转弯便是顺其自然的结果。

锥形车轮使转弯变得自然

当火车在平直的道路上行驶时，锥形的车轮会最大限度地保证车辆处于动态平衡的状态。因为当车轮向一侧偏移时，由于其两侧车轮与铁轨间接触半径发生变化，它会自然向另一侧做调整运动以寻找平衡，从而保证了车轮内边缘不会与铁轨擦碰。

车轮在轨道上行驶时的动态平衡

俯视角度的动态平衡

火车是如何转弯的？
尽管火车的车轮是两两固定在一起转动，但如果将所有的车轮都固定安装到车身上，列车也是无法转弯的。这时候我们需要利用转向架。

转向架在转弯时的作用

如果没有转向架会发生什么后果？我们看下面这张图就可以知道：

没有转向架很容易脱轨

列车的转向架通常安装在车厢前后两端附近，每个转向架装配两对轮轴，以保证每个车轮都与铁轨有紧密接触。

列车底部的转向架

防止脱轨的其它措施
有了锥体的车轮，有了转向架就可以保证列车不脱轨了吗？并非如此。列车在轨道上的安全行驶受到很多因素限制。

通过前文的介绍，我们不难发现，即便将列车的车轮做成了锥体，由于它内外缘的半径相差不大，因此列车的转弯半径也会受到限制。同时，火车能否安全地通过弯道还取决于列车自身的载重和它运行的速度。如果铁路的转弯半径过小、车速过快，都将导致列车脱轨的事故。

转弯半径过小意味着车速受到严格限制

当受到自然条件的限制无法做到更大的转弯半径，当重型火车绕弯道转弯时，反作用离心力会产生负面影响：乘客和货物可能会感到向外侧的力量，内外轨道会不均匀地磨损，并且不充分锚定的轨道可能会移动。为了获得更快的速度，还要保证安全，就需要将一侧的轨道抬高，以平衡列车转弯时的离心力。这种轨道的抬升被称为弯道超高。

一列客车高速驶入弯道时的照片，它倾斜了8°

现代的摆式列车采取了利用转向架在弯道处主动倾斜的方式来弥补路轨超高的不足，以改善乘客的体验，但这种补偿只能是有限的，它必须在列车运行的安全范围内进行，否则过快的车速还是会造成脱轨甚至倾覆事故。