铁路弯道中的力学知识
[物理】火车弯道中的力学知识
火车转弯中的力学知识火车是我们日常生活中重要的交通工具之一，那你是否知道在火车中蕴藏着许多有趣的物理力学知识？，下面就让我们一起来探究一下有关火车转弯中的力学知识吧！GO——你到过有铁路的地方去过吗？当你沿着铁路走的时候，到达转弯的地方你会发现，那一段路与其余的地方有什么不同吗？从这张图片可以看出，火车轨道转弯的地方外侧高于内侧。
这种设计的目的并不是为了减少火车对车轨的支持力而设计的。
它主要目的是为了减少火车转弯时对车转的过度魔擦而使车轨变形。
请看下面一张图片，火车过弯道时的平面图下面我们将火车内外侧等高，外侧高于内侧的两种情况进行比较，看看为什么火车外侧高于内侧行驶安全。
如图1所示，如果火车转弯处内外轨无高度差，火车行驶到此处时，由于火车惯性的缘故，会造成外轨内侧与火车外轮的轮缘相互挤压现象，使火车受到外轨内侧的侧压力作用．迫使火车转弯做圆周运动．但是这个侧压力的反作用力，作用在外轨上会对外轨产生极大的破坏作用，甚至会引起外轨变形，造成翻车事故．有向心火车转弯的时候相当于在做圆周运动，而做圆周运动必须要力，其实火车转弯的向心力并不是侧压力提供的，那么是什么力作为向心力的呢？如图2所示，在转弯处使外轨略高于内轨，火车驶过转弯处时，铁轨对火车的支持力的方向不再是竖直的，而是斜向弯道内侧，它与重力G的合力指向圆心，成为使火车转弯的向心力。
如图2所示：根据力的分析图可以看出，火车轨道只有外侧高于内侧，才能保证火车在行驶时不会出现危险。
但除此之外，火车过弯道时，要注意控制速度。
那么，根据力的分析可以得出火车行驶的最佳速度是多少呢？设内外轨间的距离为L，内外轨的高度差为h，火车转弯的半径为R，火车转弯的规定速度为．由图2所示力的三角形得向心力为：由牛顿第二定律得：所以：即火车转弯的规定速度：火车驶过弯道时，力与速度的关系：讨论（1）当火车行驶速率v等于规定速度时，，内、外轨道对轮缘都没有侧压力．（2）当火车行驶速度v大于规定速度时，，外轨道对轮缘有侧压力．（3）当火车行驶速度v小于规定速度时，，内轨道对轮缘有侧压力下面我们将火车内外侧等高，外侧高于内侧的两种情况进行比较，看看为什么火车外侧高于内侧行驶安全。
铁轨转弯的原理及应用实例
铁轨转弯的原理及应用实例1. 简介铁轨转弯是铁路建设中常见的设计要素之一。
它是指铁轨在铁路线路中弯曲的部分，常用来引导列车沿着特定的路线行驶。
铁轨转弯的设计需要考虑列车的速度、载重以及牵引力等因素，以确保列车安全且顺利地通过转弯段。
2. 铁轨转弯的原理铁轨转弯的原理与牛顿力学中的离心力有关。
当列车在转弯轨道上行驶时，列车通过弯曲的轨道会产生一个向外的离心力。
这个离心力会产生一个向内的反作用力，使列车保持在铁轨上，并保持相对平稳的行驶。
为了使列车能够在转弯时保持稳定，铁轨转弯的设计需要考虑以下几个要素：•半径：转弯段的半径决定了列车在转弯时所需的转向力。
较小的半径将产生更大的转向力，因此转弯速度需要减小。
较大的半径则能够容纳更高的车速。
•超高：超高是指在转弯段内，铁轨外侧略高于内侧，从而提供额外的转动空间，减小侧向力对列车的影响。
超高的设计需要根据列车的速度和轨道半径来确定。
•曲线过渡：为了确保列车能够平稳地进入和离开转弯段，铁轨转弯处通常会设置曲线过渡段。
曲线过渡段是指从直线轨道逐渐过渡到曲线轨道的部分。
它可以减小列车的冲击力和侧向力，提供更舒适的乘坐体验。
3. 铁轨转弯的应用实例铁轨转弯的应用广泛，下面将介绍几个常见的实例：3.1 铁路交通铁路交通是最常见的铁轨转弯应用实例之一。
在铁路线路上，铁轨的转弯段用来引导列车沿着特定的路线行驶。
通过合理设计铁轨转弯的曲线半径、超高以及曲线过渡段，可以确保列车在转弯时的稳定性和安全性，提供高效的运输服务。
3.2 运动乐园设施运动乐园设施中常常会有模拟铁路的游乐项目，其中包括铁轨转弯。
这些项目利用铁轨转弯的原理，让游客体验类似于乘坐真实列车的刺激感受。
设计合理的铁轨转弯可以增加游乐项目的趣味性和刺激性，提高游客的参与度。
3.3 货物运输铁轨转弯也被应用于货物运输领域。
在大型港口和物流园区，铁轨转弯用来引导货运列车进出货物装卸区域。
通过设计合理的铁轨转弯，可以提高货物运输的效率，并减少货物在转弯过程中的损坏风险。
火车过弯道时受力变化分析
火车过弯道时受力变化分析作者：邱会明来源：《中学教学参考·理科版》2010年第05期在修筑铁路时,要根据弯道的半径和规定的行驶速度,适当选择内外轨的高度差,使转弯时所需的向心力几乎完全由重力和支持力的合力来提供。
如果行驶的速度超过(或小于)规定的行驶速度,那么火车外侧车轮的轮缘挤压外轨(或内侧车轮的轮缘挤压内轨),与正常行驶相比,火车的受力情况将发生变化。
一般情况下,我们通过分析火车的受力情况并结合牛顿第二定律进行分析。
笔者发现,如果对火车过弯道时受力的情况进行分析,将会使问题的解析更方便,其本质更清晰、明了,下面先通过一道例题来介绍常见的解法,然后从火车变力的合成、分解和等效三个方面来解析。
一、例题和常见解法【例1】已知铁路拐弯处的圆弧半径为R,轨距为L,内外轨的高度差为h,设计时速为斜面与水平面的夹角为θ,如果以速度超速行驶,铁轨对车轮的压力为多大?图1分析:本题可分为两种情况,一是火车以设计时速过弯道,二是火车以速度超速过弯道。
其受力图分别如图1和图2所示。
图2从图2所示的受力分析可以看出,当火车以速度超速行驶时,火车的受力情况发生了变化,与图1相比,图2中多出了外轨挤压轮缘的弹力,轨道对火车的支持力也增大了。
解析:分析火车过弯道时的受力情况并建立直角坐标系分别如图1和2所示,当火车以设计时速过弯道时,由牛顿定律得:Ncosθ=mg(2)当火车以时速过弯道时,由牛顿第二定律得:由(1)(2)(3)(4)联立解得:-。
二、火车过弯道时受力变化分析1.变力的合成法图3设上述两种情况下,火车过弯道时的合外力分别为和由牛顿第二定律得:2)将超速时火车所受的力与正常速度时所受的力分别相减,可得图3所示的受力图,易知此时支持力增加量ΔN与的合力即为合力的变化量合外力的变化量等于向心力的变化量。
此时可得-由(1)(2)(3)(4)得:-。
2.变力的分解法图4与正常时速相比,超速时火车受到的合外力发生变化,合外力的变化是铁轨对车轮作用力的变化所致。
铁路弯道中的力学知识课题研究方案
铁路弯道中的力学知识课题研究方案一、研究背景铁路是现代社会重要的交通方式之一，弯道是铁路线上的常见部分。
在列车高速通过弯道时，由于离心力的作用，可能会产生轮轨摩擦、振动等问题，这不仅会影响列车的行驶安全，也会影响乘客的舒适度。
因此，研究铁路弯道中的力学知识，对于提高铁路运输安全和效率具有重要意义。
二、研究目的本课题旨在研究铁路弯道中的力学知识，分析列车通过弯道时的运动状态和受力情况，为优化铁路线路设计和提高运输效率提供理论支持和实践指导。
三、研究内容1.列车通过弯道的运动状态分析：研究列车通过弯道的速度、加速度、离心力等运动参数，建立相应的数学模型。
2.轮轨摩擦与振动研究：分析列车通过弯道时轮轨之间的摩擦和振动情况，研究摩擦和振动的产生机理及其对列车行驶的影响。
3.列车空气动力学特性研究：分析列车通过弯道时的空气动力学特性，研究风阻对列车行驶的影响。
4.铁路弯道线路设计优化：根据上述研究结果，提出铁路弯道线路设计的优化方案，包括弯道半径、轨道结构、排水系统等方面。
四、研究方法1.理论分析：运用力学、空气动力学等相关理论，建立列车通过弯道的数学模型，对运动状态、轮轨摩擦与振动、空气动力学特性等进行理论分析。
2.数值模拟：利用数值模拟软件，对列车通过弯道的运动状态、轮轨摩擦与振动、空气动力学特性等进行模拟计算，验证理论分析结果的准确性。
3.实验研究：通过实验手段，模拟列车通过弯道的实际工况，对轮轨摩擦、振动等情况进行测试和分析。
4.系统优化：根据理论分析、数值模拟和实验研究的结果，提出铁路弯道线路设计的优化方案，运用系统优化方法对方案进行综合评价和优化。
五、预期成果1.建立列车通过弯道的运动状态数学模型，为铁路线路设计提供理论依据。
2.揭示轮轨摩擦与振动的产生机理及其对列车行驶的影响，提出相应的减摩降振措施。
3.分析列车通过弯道时的空气动力学特性，为减小风阻提供优化建议。
4.提出铁路弯道线路设计的优化方案，提高铁路运输安全和效率。
火车拐弯的知识点总结
火车拐弯的知识点总结一、火车拐弯的原理1.1 轨道几何火车在铁路线上进行拐弯时，首先需要了解轨道的几何形状。
铁路线上的弯道通常是按照一定的曲线半径来设计的，这个曲线半径决定了列车在进行转弯时所需要施加的侧向力。
1.2 车辆动力学火车在行驶中会受到多种力的作用，包括牵引力、阻力、侧向力等。
当火车进入弯道时，需要施加一定的侧向力来使列车保持在曲线轨道上行驶，这就需要进行合理的车辆动力学设计。
1.3 车辆稳定性火车在拐弯时需要保持稳定，以避免出现脱轨等情况。
车辆的稳定性设计是通过合理的结构设计和调整来保证的，包括车辆的重心、转向架的设计等方面。
1.4 铁路工程技术铁路线的设计和建设需要考虑到列车在拐弯时所产生的侧向力和动态影响，因此需要进行合理的工程技术设计，确保铁路线的弯道段能够满足列车的安全行驶。
二、影响火车拐弯的因素2.1 轨道条件铁路线的轨道条件对列车进行拐弯有着重要的影响。
包括轨道的曲线半径、轨道的超高等因素都会直接影响列车在拐弯时所需要施加的侧向力和车辆的稳定性。
2.2 车辆结构火车的车辆结构对拐弯也有着重要的影响。
包括车辆的转向架设计、车辆的长宽高等尺寸参数都会对列车的拐弯性能产生影响。
2.3 速度列车在进行拐弯时的速度也是一个重要的因素。
速度越快，列车所需要施加的侧向力就越大，对于车辆稳定性的要求也越高。
2.4 牵引力牵引力是火车行驶时所受到的牵引和推动力，它对列车的加速度和速度有着直接的影响，进而影响列车在拐弯时的侧向力和稳定性。
2.5 负载情况列车的负载情况也会对拐弯产生影响。
负载越重，对列车稳定性的要求就越高，因此需要进行合理的负载计算和分布设计。
2.6 铁路线路设计铁路线路的设计包括曲线半径、超高等参数，都需要考虑到列车在拐弯时的需要，以保证列车的行驶安全和舒适性。
三、火车拐弯的技术控制3.1 制动系统制动系统是火车进行拐弯时的重要控制手段。
合理的制动系统设计可以使列车在拐弯时减小速度和惯性，有效提高列车的稳定性。
铁轨转弯的原理是什么
铁轨转弯的原理是什么铁轨转弯的原理涉及力学、动力学和几何学等知识。
当火车在铁路上行驶时，铁轨转弯处会产生一系列物理现象，以保证列车安全、稳定地通过弯道。
下面将详细阐述铁轨转弯的原理。
首先，铁轨转弯的原理与火车的运动有关。
当火车行驶在直线上时，它的质心会保持匀速直线运动；而当火车需要转弯时，其质心将偏离直线轨迹，产生横向加速度。
火车上的乘客会感受到一种向其侧边推力的作用力，这是转弯过程中的离心力所致。
其次，转弯过程中的离心力是铁轨转弯的核心原理之一。
离心力是由于火车质心偏离直线轨迹而产生的向外作用力。
根据牛顿第一定律，当火车进入弯道时，它会继续保持原来的直线惯性运动状态，而受到的转向力会使列车的前部向外侧运动。
为了使火车正常通过弯道，铁轨设计师会使转弯处的轨道呈一定的弧线形状，以适应火车的运动状态。
离心力的大小与火车的速度、质量、弯道半径以及转弯时的加速度有关。
在转弯时，火车的速度越快、质量越大，弯道半径越小，离心力就越大。
为了使离心力不会对列车造成不安全的影响，轨道设计师需要合理选择转弯半径，以及调整列车的速度和加速度。
此外，转弯过程中的摩擦力是确保列车安全通过转弯的另一个重要因素。
当火车进入弯道时，车轮与铁轨之间会产生摩擦力，这个摩擦力将使车轮受到向内的作用力。
如同离心力一样，摩擦力也与车速、车轮材料以及铁轨条件等因素相关。
为了确保转弯过程中的摩擦力足够，铁轨的铺设和车轮的制造都需要严格质量控制和维护。
此外，铁轨的铺设和连接方式也对转弯起到一定的影响。
在转弯区域，铁轨一般会进行衔接或铺设曲线轨道，以适应转弯处的弯曲半径和角度变化。
同时，也要保证铁轨的平整和稳固，以便火车能够顺利通过转弯。
在实际应用中，铁轨转弯的设计和施工需要考虑许多因素，如列车类型、弯道半径、速度、曲线长度等。
设计师和工程师需要进行复杂的计算、模拟和测试，以保证转弯处的铁轨能够满足安全和舒适的运行要求。
总结起来，铁轨转弯的原理与火车的运动、离心力和摩擦力密切相关。
火车拐弯问题知识点总结
火车拐弯问题知识点总结火车在行驶过程中，经常会遇到拐弯的情况。
在火车拐弯时，会出现一系列的物理和工程问题，这些问题涉及到火车的结构、动力系统、制动系统和轨道系统等多个方面。
本文将对火车拐弯问题涉及的知识点进行总结，包括火车的拐弯原理、拐弯时的力学原理、拐弯对轨道的影响以及解决火车拐弯问题的方法等方面。
一、火车的拐弯原理1. 车轮与铁轨的接触火车的拐弯原理首先涉及到车轮与铁轨的接触。
火车的车轮是通过与铁轨接触来提供支撑力和传递动力的，因此车轮与铁轨的接触是火车行驶的基础。
在火车拐弯时，车轮必须能够顺利地在铁轨上进行转向，以确保车辆在拐弯时不会脱轨。
2. 列车的车型和结构拐弯时，火车的车型和结构也对拐弯性能有着直接的影响。
不同类型的列车在拐弯时会有不同的性能表现，例如高速列车和货运列车在拐弯时的要求是不相同的。
同时，车辆的车体结构、重心位置和转向架等部件的设计也会影响火车的拐弯性能。
3. 转向架的设计火车的转向架是用来支撑车轮并使其能够转向的机械结构。
转向架的设计直接影响着火车在拐弯时的稳定性和可靠性。
不同类型的转向架会对车轮与铁轨的接触、车轮的转向过程以及车辆的侧向力等方面产生不同的影响。
二、拐弯时的力学原理火车在拐弯时会受到一系列力的影响，这些力来自于车辆自身的惯性和外部环境的影响。
了解拐弯时的力学原理对于理解车辆行驶过程有着重要的意义。
1. 离心力在火车拐弯时，车辆会受到离心力的影响。
离心力是由于车辆的速度和质量导致的一种惯性力，它会使车辆向拐弯的外侧产生向外的力。
这种力会对车辆的稳定性和安全性产生一定的影响。
2. 摩擦力火车的拐弯还会受到铁轨与车轮之间的摩擦力的影响。
摩擦力是支撑火车行驶的核心力量，它不仅影响着车辆的加速和制动能力，还会对车辆的转向过程产生影响。
在拐弯时，摩擦力会受到车辆侧向力和离心力的影响，从而影响着车轮与铁轨之间的摩擦力。
3. 侧向力侧向力是由于车辆拐弯时车轮受到的侧向推力而产生的力。
火车拐弯知识点总结
火车拐弯知识点总结火车拐弯是火车在铁路上运行的一个重要环节，也是一个涉及到多方面知识的复杂过程。
在火车拐弯过程中，需要考虑到列车速度、转向架设计、轨道曲率和铁路线路等多个因素。
不合适的拐弯设计或者不当的操作都可能会造成列车脱轨或者发生其他安全事故。
本文将从列车拐弯原理、拐弯过程中的安全技术、铁路线路设计和维护等方面进行总结，以帮助读者更好地了解火车拐弯的知识点。
一、列车拐弯原理1.1 轨道曲率列车在铁路上行驶时，需要沿着轨道进行运行。
轨道曲率是指铁路线路在平面上的曲率半径，它决定了列车在拐弯时需要施加多大的侧向力来保持稳定。
一般来说，铁路线路的曲率半径越小，列车在拐弯时所受到的侧向力越大。
因此，在铁路线路设计中，需要合理设置曲率半径，以适应列车的运行速度和性能。
1.2 车辆转向架设计列车的转向架是用来支撑车轮并使之能够转向的机构，它在列车拐弯时发挥着重要的作用。
转向架的设计需要考虑到列车的运行速度、轨道曲率和其他因素，以确保列车在拐弯时能够保持稳定。
不同类型的车辆可能采用不同的转向架设计，比如传统的钢轮车辆和现代的磁浮列车可能会采用不同的转向架结构。
1.3 侧向力和摩擦力列车在拐弯时需要施加侧向力来克服惯性力和轨道曲率对列车的影响，以使列车保持在轨道上。
侧向力的大小取决于列车的速度、轨道曲率和车辆质量等因素。
同时，列车在拐弯时需要克服摩擦力对车轮的影响，确保列车能够稳定地行驶。
因此，在列车拐弯时需要根据实际情况调整侧向力和摩擦力的大小，以保证列车的安全运行。
二、拐弯过程中的安全技术2.1 速度控制列车在拐弯时需要根据轨道曲率和车辆性能来确定合适的速度，以确保列车能够安全地通过拐弯段。
一般来说，列车在拐弯时需要降低速度，以减小侧向力和减轻对轨道的影响。
铁路管理部门会根据轨道条件和列车性能设定拐弯段的最高速度限制，列车驾驶员需要遵守这些限速要求，以确保列车的安全运行。
2.2 列车悬挂系统列车的悬挂系统是用来支撑车厢并吸收震动的重要部件，它在列车拐弯时发挥着重要的作用。
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铁路弯道中的力学知识
在修筑铁路时，常常因地理环境和工程造价等因素的影响，在线路中设置铁路弯道，但弯道设置中，需要应用力学知识对弯道的几何参数进行分析，如果设计不当，会对形车安全产生影响，甚至带来严重的后果。
一、车辆通过弯道时车辆自身的离心力
机车车辆在曲线上行驶时，由于惯性离心力作用，将机车车辆推向外股钢轨，加大了外轨钢轨的压力，使旅客产生不适，货物移位等。
列车以速度v沿半径R的圆曲线运行时，产生离心力F：
F=mv2/R=Gv2/gR （公式1）式中G—车辆重力（KN）；
v—行车速度（m/s）；
R—曲线半径（m）；
g—重力加速度，g=9.8m/s2；
由公式1可知，列车通过曲线时，离心力的大小由三大因素影响：
①车辆自重；②车辆行车速度；③铁路曲线半径。
二、对曲线行驶中的离心力应对措施
1、铁路曲线半径
为了保证列车的行驶安全，在铁路的设计和建造时，国家《修规》对不同速度等级的铁路规定了车辆可以安全通过的圆曲线的最小半径，高速铁路和平原地区干线铁路一般比较平直，用较大的曲线半径；山区铁路、工厂支线、车辆段道岔的咽喉区、编组站、城市地铁等受地形的制约较大的地段，只能使用较小的曲线半径，列车必须限速通过。
2、曲线超高与限速结合
为了平衡列车曲线行驶中所产生的离心力，需要把曲线外轨适当抬高，使机车车辆的自身重力产生一个向心的水平分力，以抵消离心惯性力，达到内外两股钢轨受力均匀和垂直磨耗均匀等，满足旅客舒适感，提高线路的稳定性和安全性。
外轨超高是指曲线外轨顶面与内轨顶面水平高度之差。
在设置外轨超高时，主要有外轨提高法和线路中心高度不变法两种方法。
外轨提高法是保持内轨标高不变而只抬高外轨的方法。
线路中心高度不变法是内外轨分别各降低和抬高超高值一半而保证线路中心标高不变的方法。
曲线超高的大小由列车通过时离心力的大小确定。
由于离心力与行车速度的平方成正比，与曲线半径大小成反比，因此曲线半径越小，行车速度越高，则离心力越大，所需设置的超高就越大。
在曲线半径R（m）和行车速度υ（km/h）都为已知的情况下，根据列车横向受力平衡条件，可推导出铁路曲线超高h（mm）的计算公式为:
h=11.8v2/R （公式2）
式中h—外轨超高值（mm）
υ—行车速度（km/h）
R—曲线半径（m）
当曲线半径一定时，超高度设置是否合适，在很大程度上取决于平均速度υ选用是否恰当。
对实际曲线来说，曲线实设超高h。
是根据平均速度υ得到的，曲线实际超高一旦设置，即为固定值，而通过曲线的各种列车速度是不相同的，或大于平均速度，或小于平均速度，即不可能使所有列车产生的离心力完全得到平衡，因此车体仍承受一部分未被平衡的离心力，车内有质量的物体(人或物)就会产生未被平衡的离心力。
由公式2可知，列车以速度υ通过曲线时，要求设置的超高为h=11.8υ2/R,而实际设置的超高为h。
= =11.8υ。
2/R;如果υ与υ。
不等。
h与h。
的差值△h称为未被平衡的超高。
当υ＞υ。
时，h＞h。
，△h是由于实设超高不足造成的：当υ＜υ。
时，h＜h。
，△h是由于实设超高过大造成的。
超高不足称为欠超高;超高剩余称为超高或余超高,因此列车在通过曲线时应进行限速通过。
3、缓和曲线
火车从直道进入弯道时，为了行车安全，必须经过一段缓冲轨道，使得曲率连续地增加，以保证火车的向心加速度不发生跳跃性的突变,所以缓和曲线在弯道设计中必不可少。
在缓和曲线范围内，外轨超高由零递增或递减到圆曲线上或直线的超高量，使向心力逐渐增加或减少，与离心力的增减相配合。
三、小半径曲线轨距加宽
列车进入曲线轨道时，仍然存在保持其原有形式方向的惯性，只
是受到外轨的引导作用方才沿着曲线轨道行驶。
在小半径曲线，为使列车顺利通过曲线而不致被楔住或挤开轨道，减小轮轨间的横向作用力，以减少轮轨磨耗，轨距要适当加宽。
加宽轨距，系将曲线轨道内轨向曲线中心方向移动，曲线外轨的位置则保持与轨道中心半个桂剧的距离不变。
曲线轨道的加宽值与机车车辆转向架在曲线上的几何位置有关。
列车行进在曲线上时，由于前后轮距限制，当前轮在受外轨向内侧的挤压力后，车轮会沿着外侧轨道进行行进，此时列车纵轴线与线中心线不在一条线上，而列车转向架是一个整体，不会随着线路的弯曲而变形，因此需要轨道加宽后，后轮在轨道才有一定的活动量，跟随着前轮行进。
《铁路线路维修规则》规定：新建、改建及线路大修或成段更换轨枕地段按下表规定的标准进行曲线轨距加宽
曲线轨距加宽表
曲线半径加宽值mm 轨距mm
R≥350m 0 1435
350>R≥300m 5 1440
R<300m 15 1450。