当我们骑自行车快速通过弯道|超高高铁快速过弯道的奥妙当我们骑自行车快速通过弯道

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当我们骑自行车快速通过弯道，或乘坐汽车快速通过高速公路出口的匝道时，常会感觉到有一股力量拉扯着身体向前进曲线的切线方向运动，这股力量叫离心力。骑自行车的时速不过20千米，汽车通过弯道的时速大约为60千米，它们的离心力尚且如此明显，为什么人们坐在时速达到350千米的高速动车组上，离心力的感觉反倒不明显了？这都归功于铁路施工中采用了曲线外轨“超高”设计的缘故。本文将结合物理学知识就该问题进行简要分析。列车过弯大敌—离心力

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公式中， F为向心力（牛）；M为列车质量（千克）；v为列车运行速度（米/秒）；R为曲线半径（米）。
根据牛顿第一定律，假设不对列车施加向心力或其他外力，列车应沿着曲线的切线方向进行匀速直线运动，而不是绕曲线运动，这就是离心运动。使列车远离其旋转中心进行离心运动的那个“力” ，则被称为“离心力” 。
正如前文假设条件所说，在这个过程中，我们可以发现并没有新的作用力施加在列车上，所以， “离心力”并未真正出现过，它仅仅是人为引入的一种“惯性力” ，是为了解释非惯性参考体系进行匀速圆周运动的一种虚拟力，其大小与列车进行匀速圆周运动时的向心力相等，方向相反。
列车在曲线上运行时，需通过钢轨外轨和列车轮缘的接触，由外轨对轮缘施加作用力，迫使列车沿曲线方向运行。力的方向和线速度方向垂直，并沿半径指向圆心，这个力就是迫使列车进行曲线运动的向心力。轮缘同时会有一个作用于外轨的反作用力，使轮缘和外轨之间产生磨损，我们可以把这个力视为“离心力” 。

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根据相关资料，动车组单列车重约55吨，高速铁路一般地段最小曲线半径为7000米，动车组时速为350千米。将这些数据代入上面提到的公式进行计算，可以得出列车通过曲线时需要钢轨外轨提供的向心力为74.2千牛。这是一个很大的数值。如果不对铁路外轨进行其他设置，这个力将直接作用在外轨内侧。显然，这个力会使列车轮缘和外轨产生巨大的摩擦，将极大影响列车运行速度，同时也会给轮缘和外轨带来损伤，降低它们的使用寿命，并对列车运营安全产生极大的威胁。

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降低过弯离心力的方法
根据离心力的计算公式，我们不难发现，决定离心力大小的因素有3个，它们分别是：
第一，列车车体质量M 。要想减小列车离心力，可以采取降低列车车体质量的方法。不过，在当前的材料和技术条件下，实现这种方法将需要一个较长的发展过程，并不容易实现。
第二，列车运行速度v 。降低列车的运行速度v ，同样可以减小列车离心力。在乘坐普速列车时，当通过小半径曲线地段时，我们可以发现列车车速往往会降低。这样做正是为了降低离心力，保证车辆运行安全及乘客乘坐的舒适度，但这种方法与高速铁路发展的初衷相背离。
第三，铁路路线的曲线半径R 。增大铁路线路的曲线半径也可以达到降低离心力的作用。高速铁路的曲线半径一般要大于普速铁路，以便满足高速运行的需要。这同时也意味着高速铁路需要占用更多的耕地和空间，建设投资费用也随之增加，因而在铁路线路规划中需要综合考虑上述因素，不能够仅依靠增大曲线半径来解决问题。

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