火車車輪形狀背後的工程原理

火車車輪並非完美的圓柱形 而是略帶錐度 這種錐形設計堪稱工程學奇蹟 主要實現了兩個功能 第一 它能自動修正火車行駛方向 使其保持在軌道中央 二是幫助火車實現差速動作 爲了理解這第一項成就 我們先來看一個用粘起來的紙杯做的簡單實驗 我把這組粘好的紙杯放在軌道上滾動 可以看到它們移動的軌跡非常筆直 就算我一開始試着讓杯子稍微傾斜 它們還是能自己調整回來 那這套呢 這個金反拉杯子在同一條軌道上滾動的時候 它失敗了 火車車輪就是這種錐形設計 這個角度能確保車輪絕不會脫軌 可問題是爲什麼呢 這種錐形結構會產生一種自定心力 爲了理解這個原理 我們需要分析一下車輪上作用着哪些力 在直線軌道上行駛的時候 車輪受到的主要作用力就像圖中展示的這樣 反作用力的方向始終垂直於錐面 當車輪處於正中位置時 這些力的水平分量就會相互抵消 現在假設由於某種原因車輪向右偏移了 當它沿軸向移動時會發生一個有趣的現象 你注意到了嗎 從畫面中可以清楚地看到 整個火車輪對向這樣傾斜了 隨着這個傾斜 法向力也發生了偏轉 如果你在這種情況下做受力分析 就會發現會產生一個指向左側的合力 這個力會自動把車輪推回中心位置 直到 當車輪迴到中心時 自定心力就會消失 用這麼簡單又巧妙的方法 就能讓車輪自動回正 是不是很厲害 輪源安裝在車輪兩側作爲額外的安全保護 我們來開個腦洞 假設火車車輪的角度是反過來的 這時候如果做同樣的受力分析 你會發現 向右偏移時產生的合力 還是指向右邊 這就意味着 在這種車輪結構下 火車輪子會一直被甩出軌道 現在我們來探討車輪採用錐形的第二個原因 正是藉助這種錐形結構 工程師們成功實現了差速作用 假設火車需要像這樣轉彎 那麼左側車輪所走的距離 就必須比右側車輪更長一些 可是兩個輪子連在同一根軸上 一個輪子怎麼能比另一個走得更遠呢 這就是圓錐形發揮作用的地方了 爲了實現這個轉彎 車輪會稍微向左滑動 如果你觀察車輪的接觸點 會發現左邊車輪的半徑比右邊的大 簡單來說 同樣的轉角 左輪會走更遠 這就實現了差速 要知道汽車要實現差速 工程師們還得把車輪分開 用不同速度來驅動 他們僅憑把車輪做成錐形 就實現了差速作用 挺有意思的吧 當然當車輪向左滑動時 它會像我們之前看到的那樣 自動產生一個向右的力 在轉彎過程中 這個力正好用來提供 轉彎所需的向心力 正因如此 車輪在轉彎時 就不會再滑回中心位置了 在LASIKs 我們向那些僅憑車輪錐度 就實現兩大工程目標的 傑出工程師致敬 感謝觀看本視頻 下次見