作者 七君

我們都知道，汽車(chē)可以在馬路上加速減速，還可以上高速。那么，火車(chē)，尤其是綠皮車(chē)為什么不能加速呢，它們明明享用了獨(dú)占的鐵道，只要事先把各個(gè)班次的火車(chē)調(diào)配好，大家都提速，不就可以讓乘客快點(diǎn)到站嗎？

emmm，這個(gè)想法當(dāng)然是美好的，但是現(xiàn)實(shí)卻很殘酷?；疖?chē)是不能隨便提速的，因?yàn)樘崴贂?huì)出大事啊！

出什么大事？請(qǐng)看下圖。

看到了嗎？這就是火車(chē)強(qiáng)行提速后發(fā)生的悲劇事件。

@BBC

上面這張圖的發(fā)生地在德國(guó)西部。

其實(shí)，早在火車(chē)誕生之初，許多鐵道工程師也有給火車(chē)提速的想法，但當(dāng)他們真的開(kāi)始做了以后，就發(fā)現(xiàn)提速后的火車(chē)會(huì)開(kāi)始致命扭腰——蛇行振蕩（Hunting oscillation）。

啥是蛇形振蕩？

其實(shí)坐過(guò)綠皮車(chē)的人都有體會(huì)，火車(chē)開(kāi)起來(lái)的時(shí)候，左右晃悠就是蛇形振蕩的表現(xiàn)。

蛇形振蕩

@wikipedia

你想想看，光是那點(diǎn)幫助康師傅面霸在胃部混合攪拌消化的速度就讓綠皮車(chē)晃成那樣了，再給提到動(dòng)車(chē)的速度，那還不得晃出太陽(yáng)系和人頭馬座250肩并肩？

蛇行振蕩的本質(zhì)是火車(chē)車(chē)輪的形狀，以及車(chē)輪和鐵軌接觸面的受力（蠕滑力）導(dǎo)致的。

對(duì)了，你可能不知道火車(chē)車(chē)輪是什么樣子的。猜猜看？

火車(chē)車(chē)輪和汽車(chē)車(chē)輪不一樣，并不是平整的圓柱體，而是圓錐形的。原因嘛，看下下面的圖你就知道了。

如果火車(chē)輪是圓柱體，很快就會(huì)脫軌。

@Aachen University

圓錐體的火車(chē)輪不容易脫軌。

在火車(chē)車(chē)輪內(nèi)側(cè)靠近鐵軌的地方，還有一個(gè)叫做輪緣（flange）的硬片，平時(shí)它和鐵軌并不接觸。但是在關(guān)鍵時(shí)刻，它可以拉車(chē)輪一把，防止火車(chē)脫軌。

圓錐形的車(chē)輪可以讓火車(chē)呆在軌道上，但是圓錐形車(chē)輪卻會(huì)不可避免地帶來(lái)蛇形振蕩的問(wèn)題。

蛇形振蕩在低速時(shí)并不明顯，但當(dāng)車(chē)輪高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，蛇形振蕩會(huì)變得異常劇烈，損壞軌道和車(chē)輪，甚至導(dǎo)致火車(chē)在平直的軌道上脫軌。

蛇形振蕩現(xiàn)象首先在19世紀(jì)末被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的火車(chē)車(chē)速已經(jīng)提升到可以產(chǎn)生蛇形振蕩的水平。

由于蛇形振蕩的存在，火車(chē)的車(chē)速都必須壓在一個(gè)值以下，這個(gè)速度就被稱為蛇行運(yùn)動(dòng)的臨界速度（critical hunting velocity）。

也因?yàn)樯咝握袷幍奶烊徽系K，在20世紀(jì)60年代，人們產(chǎn)生了拋棄傳統(tǒng)火車(chē)的想法，那時(shí)候許許多多的人開(kāi)始設(shè)法設(shè)計(jì)氣墊火車(chē)或者磁懸浮系統(tǒng)來(lái)完全擺脫傳統(tǒng)鐵軌的限制。

比如，60-70年代法國(guó)工程師 Jean Bertin 研發(fā)的不要火車(chē)輪，靠高壓氣體托住火車(chē)前進(jìn)的 Aerotrain 的速度達(dá)到了每小時(shí)418千米。

Aerotrain

@Mustard

北邊的英國(guó)人感到被法國(guó)人趕超有點(diǎn)點(diǎn)不開(kāi)心，所以也立馬制造了 RTV-31 氣墊火車(chē)。

RTV-31 氣墊火車(chē)

大洋彼岸的美國(guó)也不甘示弱，造出了更加先進(jìn)的 Urban Tracked Air Cushion Vehicle（城市履帶式氣墊車(chē)）。

Urban Tracked Air Cushion Vehicle（城市履帶式氣墊車(chē)）

但是氣墊火車(chē)在低速時(shí)非常沒(méi)效率，所以后來(lái)大家的興趣又轉(zhuǎn)移到了磁懸浮列車(chē)上。不過(guò)，磁懸浮列車(chē)不能利用現(xiàn)存的鐵軌，而且建造和維護(hù)費(fèi)用高昂，所以到目前為止也沒(méi)有幾個(gè)國(guó)家采用磁懸浮系統(tǒng)。

好在在60年代，英國(guó)鐵路公司（the British Rail）對(duì)傳統(tǒng)火車(chē)進(jìn)行了改良，他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改良后的火車(chē)速度可以超過(guò)每小時(shí)290千米。此后，大多數(shù)高速火車(chē)都是采用英國(guó)鐵路公司的設(shè)計(jì)。

英國(guó)人的這種設(shè)計(jì)是怎樣減少蛇形振蕩的呢？

他們首先減少了車(chē)輪的錐角（錐角越小，車(chē)輪看起來(lái)越平），并且配上了吸收震動(dòng)的抗偏器（yaw damper）。

抗偏器

比如，在設(shè)計(jì)日本新干線的時(shí)候，日本工程師們將就圓錐形車(chē)輪的錐角減少到普通車(chē)輪的二分之一。

新干線車(chē)輪的錐角只有普通車(chē)輪的二分之一

那個(gè)抗偏器又是什么原理呢？

其實(shí)，抗偏器這種防震裝置的原理和古老的機(jī)械鐘的主發(fā)條是一樣的。

機(jī)械鐘的發(fā)條（左邊黑色螺線）

彈簧發(fā)條可以緩沖上下左右的晃動(dòng)，吸收蛇形振蕩的能量，提高臨界速度。20世紀(jì)早期的一些工程師發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，并且運(yùn)用到了汽車(chē)上，后來(lái)又被復(fù)制到了高速列車(chē)上。

抗偏器（白色）

經(jīng)過(guò)了這樣的改良，新干線的最高運(yùn)行速度達(dá)到了每小時(shí)225千米（2017年9月，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組在京滬高鐵實(shí)現(xiàn)350公里時(shí)速）。

不過(guò)到目前為止，火車(chē)最高時(shí)速的紀(jì)錄屬于法國(guó)人。2007年4月3日，法國(guó)高鐵——法國(guó)高速列車(chē)（TGV）創(chuàng)造了每小時(shí)574.9千米的世界紀(jì)錄。

法國(guó)高速列車(chē)（TGV）

話說(shuō)，你知道什么季節(jié)更容易發(fā)生火車(chē)晚點(diǎn)嗎？

實(shí)際上是秋季。晚點(diǎn)的原因你猜不到，和植物有關(guān)。

根據(jù)英國(guó)國(guó)家鐵路的介紹，植物的葉子浸泡了水以后，會(huì)形成一種類似于不粘鍋上的特富龍的物質(zhì)——果膠（pectin）。

果膠覆蓋在鐵軌上，會(huì)變成天然潤(rùn)滑劑，讓火車(chē)輪子打滑。為了防止溜出軌道人仰車(chē)翻，秋季的火車(chē)就必須經(jīng)常剎車(chē)，也不能大力地加速，這就容易導(dǎo)致晚點(diǎn)。

所以說(shuō)，現(xiàn)在的鐵路是不可能給你直通大地型的廁所的，那一車(chē)軌的有機(jī)農(nóng)家肥可以讓你一路從北京滑...翔...到西雅圖了好伐。