火车轨道转弯处为何“内低外高”？转弯超速有哪些危险？高一物理

各位同学：大家好！

人教版高一物理必修二学到“生活中的圆周运动”，其中对“火车转弯”作了初步研究：火车轨道转弯处为何“内低外高”？转弯超速有哪些危险？要解决这些问题啊！首先要从火车轮和铁轨的构造说起。

一，火车轮和铁轨的构造

如图所示，其构造，我们首先看到轨道的内轨和外轨，内轨又分为内侧和外侧，外轨也分为内侧和外侧；其次看到的是火车轮的轮缘。

了解这些基本构造之后，那接着第二点我们就来看看火车在直线上，是如何平稳行驶的？

二，直线运行

1，如果火车有向内的趋势，则内轨内侧就会顶住内轮缘。

2，如果火车有向外的趋势，则外轨内侧就会顶住外轮缘。

所以，规范驾驶的火车始终沿直线平稳行驶。

那火车在行驶弯道时，轨道和车轮之间又是怎么一个情况呢？

三，弯道行驶

如果转弯处的轨道仍然和直线一样是“内外轨等高”的情形。

1，轨道内外等高型

因为火车转弯需向心力，那么由哪一个力来提供向心力呢？在转弯过程中，外轨对外轮缘施加指向弯道内侧的压力，这个压力提供向心力。根据牛顿第三定律，外轮缘也会对外轨进行挤压而施加压力。

如此一来，就会对外轨和车轮会有非常严重的损伤，这也是实际铁路中不可取的设计。

于是人们构想出了“外轨高内轨低”的模型使得轮缘于轨道间压力为0，从而避免磨损。

2，轨道外高内低型

这个模型，实际上就使轨道的横截面成了一个“斜面模型”，火车转弯时所需要的向心力由“支持力的分力”来提供，如图所示：

根据向心力公式可以推导出此模型对应的速度V0是由弯道半径R和“斜面倾角θ”决定，所以v0是一个固定速度，我们把它称之为：通过速度或设计速度。

这个θ其实很小，我们可以举个例子来算一算，如图所示：

其实，tanθ可以约等于sinθ。所以我们有这么一个结论：

火车想在弯道处增速，可以增大R，增大h

同学们有没有想过，如果行驶速度v大于设计速度v0，会是一个什么情况？

3，如果行驶v大于设计v0

根据向心力公式，火车所需向心力就会变大，向心力不够怎么办呢？因为啊！火车有向外冲的趋势，导致外轨内侧对轮缘就有压力，这个压力就来“补足”向心力。

如果行驶速度没有设计速度大，那支持力分力提供的向心力岂不是有多余的吗？怎么办呢？

4，如果行驶v小于设计v0

因为火车有向内的趋势，所以内轨内侧对轮缘有压力，如此就能抵消多余的力。

总之，只要是行驶速度≠设计速度，就会挤压内外轨，导致磨损，甚至会侧翻！