科普視頻 火車車輪為甚麼是圓錐形，它的工作原理是什麼？

火車的車輪並非完美的圓柱形 在我們看來,它略微呈圓錐形 這種圓錐形設計堪稱工程奇蹟 它完成了兩項關鍵的任務 一是糾正火車的航向 使其自動向軌道中心靠攏 二是幫助火車實現插動作用 為了理解第一項成就 我們可以做一個簡單的實驗 用膠帶黏合一組紙杯 當我把這組杯子滾到軌道上時 它們會保持直線移動 即使我試著稍微傾斜起始杯子 它們仍然能夠保持穩定行進 但如果我們以相反的方式黏合紙杯 每當所有輪軸都處在同一條軌道上時 系統就會失效 這正是鐵路車輪採用錐形的原因 車輪的傾斜角度 確保它們不會輕易脫離軌道 但問題來了 為什麼這種錐形結構 能夠產生自定心力呢 為了理解這一點 我們需要分析作用在車輪上的力量 在火車沿直線軌道前進時 作用在車輪上的主要反作用力 始終垂直於錐面 當車輪處於正中位置時 這些力的水平份量會彼此抵消 但如果由於某種原因 車輪稍微偏向右側 火車的整個輪組 也會如圖所示發生傾斜 隨著傾斜的出現 法向力的方向也隨之偏轉 如果你對此進行力學分析 就會發現 會產生一個朝向左側的靜力 從而促使車輪自動回到中心位置 當車輪接近中心時 這個自定心力將自然消失 這是一個簡單 卻非常巧妙的工程設計 為了加強安全性 工程師們還在車輪兩側 安裝了輪源 起到防止脫軌的作用 有趣的是 如果我們假設 火車車輪的錐形角度反向 在相同的右側偏移情境下 力的分析 會顯示出一個指向右側的靜力 反而會進一步偏離軌道 因此 只有當前傾角方向正確時 車輪才能具備自動校正能力 現在讓我們探討 車輪採用圓錐形的第二個原因 實現差速作用 假設火車在轉彎 此時左側車輪 需要比右側車輪行駛更長的距離 但由於車輪連接在同一個車軸上 它們不能以不同速度旋轉 那麼該怎麼辦 這時 圓錐形結構就發揮了作用 當火車轉彎時 車輪會在軌道上稍微滑動 從而使接觸點發生變化 此時 左側車輪的接觸半徑變大 右側車輪的半徑變小 也就是說 在相同角速度下 左輪就能比右輪行駛更遠的距離 從而實現差速功能 在汽車中 要實現同樣的效果 工程師必須將車輪分離 並通過差速器 使它們以不同速度運轉 而在火車中 僅僅通過一個簡單的錐形設計 就能實現相同的工程目標 是不是很巧妙 當然 當車輪在轉彎中向左滑動時 它也會產生一個向右的力 正如我們之前分析的那樣 這個力正好可以用來提供向心力 讓火車平穩完成轉彎 因此 在轉彎過程中 車輪並不會輕易滑回中心 我們向那些傑出的工程師致敬 他們僅僅通過設計車輪的錐度 就實現了兩個主要的工程奇蹟 自動校正方向和差速功能 感謝您的觀看 我們下次再見