高中物理知識(shí)在軌道交通方面應(yīng)用研究

王海博

摘 要：近年來，我國(guó)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，并已經(jīng)轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)力，其中，以軌道交通最為突出。本文從高中生的視角探究軌道交通方面所應(yīng)用的物理知識(shí)，通過舉例加以分析，以期高中生加深對(duì)高中物理知識(shí)的了解。

關(guān)鍵詞：高中 物理知識(shí) 軌道交通 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：G63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（c）-0220-02

軌道交通技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的重要表現(xiàn)。在過去較長(zhǎng)的一段時(shí)間里，我國(guó)在軌道交通技術(shù)方面與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家之間存在巨大的差距，然而，改革開放以來，這一差距正在逐漸縮小，甚至在某些方面我國(guó)已經(jīng)處于領(lǐng)先位置。軌道交通技術(shù)涉及內(nèi)容較為復(fù)雜，其中基礎(chǔ)物理知識(shí)在其中有著較為廣泛的應(yīng)用，如高鐵轉(zhuǎn)彎處的軌底坡角度選擇、軌道裂隙檢測(cè)等。

1 高速鐵路的軌底坡角度選擇

高速鐵路軌道因施工的實(shí)際情況不同，多數(shù)無法直線鋪設(shè)，在此情況下，需要在選定地點(diǎn)進(jìn)行不同角度的線路調(diào)整。高速行進(jìn)的列車在轉(zhuǎn)向過程中必然會(huì)產(chǎn)生離心力，這不僅會(huì)威脅列車的安全，還會(huì)影響鐵路軌道的使用壽命。因此，在保證列車速度的基礎(chǔ)上，如何處理轉(zhuǎn)彎過程中的離心力就成為高速鐵路發(fā)展的關(guān)鍵問題。

在高中物理學(xué)中，離心力與速度、轉(zhuǎn)向半徑有著直接關(guān)系。根據(jù)高速鐵路的設(shè)計(jì)時(shí)速，可以調(diào)整轉(zhuǎn)彎半徑，由此產(chǎn)生的離心力F1與通過抬高轉(zhuǎn)彎半徑外側(cè)鐵軌高度產(chǎn)生的重力G和Fn的合力F2相抵消，如圖1所示。

只有在F1與F2相等時(shí)，高速列車在轉(zhuǎn)彎過程中才能夠保持最佳狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)對(duì)鐵路軌道造成損害。根據(jù)離心力計(jì)算公式F=m·V2/r，在速度V和轉(zhuǎn)彎半徑一定的情況下，根據(jù)力的矢量合成原理，需要通過傾斜的軌道提供一個(gè)與離心力大小相等、方向相反的力，這就是F2。根據(jù)圖1中的矢量關(guān)系F2=Gtanθ，其中，G為已知量，由于F2=F1=F，則m·V2/r=Gtanθ=G·h/L，最終求得h= （mLV2）/rG。

維護(hù)保養(yǎng)高速鐵路軌道時(shí)，為確保軌底坡高度的精確，多數(shù)采用軌底坡測(cè)量?jī)x進(jìn)行檢測(cè)，避免因軌道傾角變化帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

2 軌道裂隙檢測(cè)

任何一種軌道都存在金屬疲勞特性，在長(zhǎng)時(shí)間的高強(qiáng)度工作狀態(tài)下，地鐵、高鐵、有軌電車等交通工具軌道都會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂隙，如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，極易導(dǎo)致重大交通事故，進(jìn)而威脅人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)這一情況，研究人員設(shè)計(jì)了一種高速軌道裂隙檢測(cè)工具，其中就應(yīng)用了高中物理中電磁學(xué)知識(shí)。

電磁波在空氣中的傳播速度與光速相同，為299792458m/s，約等于3×108m/s。研究人員根據(jù)雷達(dá)原理，將一部雙工雷達(dá)安裝在軌道檢測(cè)車上，向軌道持續(xù)發(fā)射電磁波，并接收軌道反射回來的電磁波。軌道檢測(cè)車可以根據(jù)反射回來的電磁波的相位特征繪制軌道狀態(tài)圖譜，從而判斷所測(cè)軌道是否存在裂隙。

在軌道裂隙檢測(cè)車的設(shè)備組成中，慣性測(cè)量裝置十分重要。確定裂隙點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，除可以借助GPS定位以外，對(duì)于具有特殊用途的軌道還需要慣性測(cè)量裝置，它依靠慣性元器件定位，主要由慣性元器件包括方位陀螺儀、加速度計(jì)構(gòu)成。在已知起始點(diǎn)的情況下，慣性元器件分析方位陀螺儀提供的角度分量和加速度計(jì)輸出數(shù)值，準(zhǔn)確定位該軌道裂隙檢測(cè)車在某一時(shí)刻的位置，這大大縮短了處理軌道裂隙所需時(shí)間。

但是基于電磁波的軌道裂隙檢測(cè)裝置對(duì)空間電磁環(huán)境的純凈度要求較高。提高軌道裂隙檢測(cè)的精度，應(yīng)當(dāng)慎重選擇電磁波的頻率，避免受外界電磁干擾。

3 磁懸浮鐵路的動(dòng)力來源

磁懸浮鐵路利用電磁感應(yīng)原理，在列車與軌道之間留出一定的間隙，這起到消除摩擦力的作用，從而提高運(yùn)行速度。磁懸浮列車的動(dòng)力來源可以應(yīng)用高中物理知識(shí)電磁感應(yīng)知識(shí)進(jìn)行解釋。

磁鐵同性相斥、異性相吸。在磁懸浮列車的底部按照一定的間隔排列好磁極順序相同的永磁體，在兩條軌道鋪設(shè)反作用板和感應(yīng)鋼板，從而磁化反作用板和感應(yīng)鋼板，在向上托舉磁懸浮列車的同時(shí)，推動(dòng)磁懸浮列車前進(jìn)。通過調(diào)節(jié)電流大小，可以控制磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到控制磁懸浮列車速度的目的。

4 結(jié)語

高中物理知識(shí)在軌道交通方面的應(yīng)用并不局限于以上幾個(gè)方面。物理是基礎(chǔ)科學(xué)的重要組成部分，我們應(yīng)該重視這一學(xué)科，認(rèn)真學(xué)習(xí)理論知識(shí)，善于從生活中發(fā)現(xiàn)并分析物理知識(shí)，從而培養(yǎng)自身的綜合素質(zhì)。

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