[分享] 傾斜式列車原理：為什麼普悠瑪過彎時可以

看板Railway作者simon78410時間5年前 (2018/10/23 16:44)推噓12(13推 1噓 11→)

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來源： The News Lens 關鍵評論網 https://goo.gl/xY6erv 內文：傾斜式列車原理：為什麼普悠瑪過彎時可以維持相對高速? 文：跟著鄭大師玩科學自由時報於2017年8月1日，發布了一則新聞〈台鐵不再買傾斜式列車　原因很現實〉。中學物理上到圓周運動時，會以高速公路轉彎處外高內低而向內側傾斜的例子，來說明「正向力與重力的合力」當作轉彎所需的向心力。 https://i.imgur.com/Pr80tRc.jpg

至於在十字路口轉彎時，由於路面不傾斜，向心力則是由輪胎與路面的側向摩擦力來提供。若高速過彎時聽到輪胎打滑聲，就表示已經發生側滑（請思考下圖輪胎變形的機制）。 https://i.imgur.com/DogzH8X.jpg

火車在過彎道時，如果轉彎處的鐵道未設計成外高內低，那麼向心力就必須藉由轉彎處的「外軌對輪緣施加的側向推力」來提供。由於該力是由輪緣和外軌的擠壓所產生，基於火車很重，鐵軌雖耐重壓，但卻不耐側向的輪緣和外軌間之交互作用；若側向力太大，就容易發生道釘與扣件脫落，從而造成脫軌意外。 https://i.imgur.com/6ZwkDtm.jpg

https://i.imgur.com/yEc02vh.jpg

由於鐵道在轉彎處也會如同高速公路設計成向內側傾斜，但一般的列車因為並無傾斜車廂之設計，所以在過彎道時車速就必須限制在某個特定值。 https://i.imgur.com/YIKK3C6.jpg

也就是說，在台鐵的窄軌系統（軌距1067mm）與標準轉彎曲率半徑（R=600m）狀況下，不管普通車、平快車、復興號或莒光號的一般列車，來到這個轉彎處，都要用特定速率來過彎。這樣車體才不會對外軌施加額外的側向力，而且乘客也才不會因離心效應而感到頭暈。 https://i.imgur.com/nNldKb7.jpg

至於彎道之前所設立的二種不同數字之限速標，白底黑字為一般列車的限速標，上方的橘圈黑字則為「傾斜式電車」之限速標（註：傾斜式電車在限速75km/hr以上之彎道，可以增加25km/hr來通過） https://i.imgur.com/YYNwNww.jpg

那麼這個多出來的25km/hr，難道就不會對外軌施加側向力嗎？先來看一則影片： https://www.youtube.com/watch?v=EWUBxLzptyw

這是藉由車輪設計成內側與外側的半徑不同（如：雙錐體），如此在過彎時就會自動讓車體向轉彎的內側傾斜。在軌道不傾斜的情況下（外軌與內軌在同一水平高度），這時的重力可分解為垂直於車廂地板的分力，與平行於路面方向的2個分力（圖片中紅色分力）。後者即可當作向心力使用 https://i.imgur.com/5F05vdW.jpg

由於這個平行於路面方向的力量仍須由外軌來提供，車廂內乘客感受到的則是上圖垂直於地板的等效重力，所以不會察覺到有被甩出圓心的離心效應，這樣在高速過彎時就不容易產生暈眩感。不過這個雙錐體模型，只是用來解釋轉彎時的車廂會產生被動式傾斜，實際上的傾斜式列車仍是使用一般具有輪緣的車輪。台鐵的傾斜式列車普悠瑪號是TEMU2000型，在平地上的極速為150km/hr。為了提升車內乘坐舒適度，採用新幹線N700系電聯車的「空氣彈簧簡易型車體傾斜裝置」 https://www.youtube.com/watch?v=4xvGQPLPKpA

這種空氣彈簧裝置就如同低底盤公車在停靠站牌時，會將右側降低以利乘客上下車一樣。模型示範請參考下列影片： https://www.youtube.com/watch?v=l0YpyleCYL8

普悠瑪列車採用了這種可調整內部氣壓的空氣彈簧，透過控制系統，動態調整左右兩側空氣彈簧內部的氣體壓力。當車輛向左轉時，右側空氣彈簧的氣體壓力會大於左側，於是車體向左傾擺。使列車在高速過彎時，車廂能產生比鐵道更為傾斜的角度，讓重力得以分解出較大的「垂直於地板之分力」與較大的「平行於路面方向的分力」，藉此提供足夠的向心力來增加列車過彎時的速率。 https://i.imgur.com/ur0NCWi.jpg

-- https://i.imgur.com/aHN6bOQ.jpg

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CokeCake

10/23 16:50, 5年前 , 1^F

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Tass

10/23 17:05, 5年前 , 2^F

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推

alan23273850

10/23 17:10, 5年前 , 3^F

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