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高二物理知识学习进修课课程集
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铁路提速与弯道向心力
2004年4月,全国铁路实现了自1994年以来的第五次大面积提速,时速160千米
及其以上的线路达到7700千米。今年还将实施第六次大面积提速,部分提速干线列车时
速可以提高到200千米,相当于F1赛车多数情况下的平均速度。
速度,就是效益,就是竞争力,是交通运输现代化最重要的表现。发展高速铁路是当今
世界各国铁路交通发展的潮流与主导趋势。但是制约铁路提速的众多因素中,最重要的一条是
“弯道”。据郑州铁路局报道:为了列车的安全和平衡,需对7000多千米铁路线上的弯道一
一进行调整,将小半径曲线线路全部改造成大半径曲线或直线线路,同时调高曲线外轨。在去
年第五次大提速之前,仅郑州铁路局管理的路段内就改造弯道1000多处。仅此一项就可看出
,铁路的大面积提速,对中国而言是一个浩大工程。弯道,成为制约速度提升的瓶颈。
由力学知识,当物体作曲线运动时。向心(或法向)加速度an的大小与速度的平方成正
比,而与曲线的曲率半径成反比,即an=v2/。根据牛顿运动定律,力是改变运动状态的
原因,即力是产生加速度的原因。所以做曲线运动的物体都受到指向曲率中心的向心力作用,
即F=ma=mv2/。
向n
对此我们都有切身体会。当乘坐的汽车左转弯时,此时如紧靠车厢右壁,可感觉到身体
在使劲挤压车厢壁,是车厢壁给人的反作用力与座位给人的静摩擦力提供向心力。如未靠车
壁,只能由座位给的静摩擦力提供向心力。当车速较大时,若静摩擦力不足以提供所需的向
心力时,人就会滑离座位。
训练有素的运动员也会利用力学的规律为自己赢得胜利。这是我们在田径场上经常见到
的一幕:当进入弯道时,只见运动员以臀髋部带动身体向内倾斜,摆臂幅度右大于左,两脚
的着力部位左脚用前脚掌的外侧,右脚用前脚掌的内侧,跑得越快则向内倾斜越大。这样做
目的只有一个,利用身体倾斜来获得地面产生的横向摩擦力所提供的向心力,从而才能以较
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快的速度跑过弯道。
当今世界上最具挑战性、最刺激的运动项目,莫过于F1赛车比赛了。一辆辆赛车在曲
折的赛道上风驰电挚般你追我赶,真令观众心惊肉跳。
我们还是来看看新近建成的上海国际赛车场赛道的有关档案吧:在5000多米的单圈
长度上,竟布置了左、右拐14个弯道,弯道曲线最大半径120米、最小半径只有8.8米
,而赛车的平均速度为205千米/小时,最高允许时速达327千米/小时。
赛车过弯道的向心力显然是靠车与地面的摩擦力来提供的。如正压力等于车重,当车
速较高时,摩擦力远远满足不了安全通过弯道的需要。设计者在这里运用空气动力学的知识
做了精心设计。除车体本身的流线型设计和底盘的导流板能产生下压力外,还在车的前、后
安装了定风翼。定风翼如同倒装的飞机机翼,机翼产生上升力,而定风翼在赛车高速奔驰时
产生的是下压力。
弯道,也是对车手赛车驾控技术最严格的考验。为顺利通过弯道,车手只有重踩刹车,将
车速由高速降到2档以下,设赛车过最小弯道(R=8.8米,又称发夹弯)时车速为70千米/
小时,不难算出车手此时的向心加速度是重力加速度的4.38倍,即an=4.38g,车手所承
受的向心力也高达其体重的4.38倍,犹如瞬时对车手的颈部肌肉加上了约35千克侧向负荷。
这对一般人来说,绝对是难以承受的;只有经过长期训练,才能有如此大的抗荷耐力。
能够驾驭F1赛车,特别是每年的参赛者,不但要有精湛的驾驶技术,更要具备良好的
心理素质和超人的体魄。所以当听说FIA(国际汽车联合会)颁发的F1赛车特别驾照的获得
者,全球只有百十来名,也就不足为奇了。
话题还是回到铁路提速上吧。
旅客乘坐火车,要求的是舒适和安全,而不会要求享受F1赛车手
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