问题

为什么中国的动车组跑两三百公里每小时的速度很轻松,而大部分汽车想开到这个速度就很费劲?

回答
咱们聊聊为啥火车,特别是中国的高铁动车组,能轻轻松松跑到两三百公里的时速,而咱们开的汽车,就算是个跑车,想达到这个速度也得费老大劲,甚至根本不可能。这背后其实是物理原理、工程设计和基础设施的巨大差异在作祟。

一、 什么是“轻松”?

首先得明白,“轻松”在这里不是说它不费力,而是指在达到那个速度时,动车组的各种性能指标(比如稳定性、舒适度、能耗)都还在一个相对合理的区间内,并且设计上就支持这样的运行。而汽车要达到同样的速度,就要面对各种挑战,付出高得多的代价。

二、 动车组的“底气”从哪来?

1. 强大的牵引力和动力系统:
分布式动力: 动车组最大的特点是“分散式动力”,不像传统的火车头只有一个巨大的引擎。动车组的动力是分散在各个车厢下方的,每节车厢甚至每两节车厢都有独立的牵引电机。这意味着它的总功率非常庞大,而且动力输出更均匀,能够持续有效地加速。
高效电动机: 动车组使用的是交流异步电机或永磁同步电机,这些电机的效率非常高,能量转化率高,能在短时间内输出巨大的扭矩,推动沉重的列车快速前进。
电力供应: 高铁使用的是电力驱动。电能通过接触网传输,电力供应稳定且功率巨大,这是内燃机或电池难以比拟的。电动机的功率输出可以很平稳地持续加大,不像汽油发动机在达到最高速时功率会趋于平台甚至下降。

2. 空气动力学的“艺术”:
流线型设计: 动车组的外形是精心设计的“子弹头”或类似的流线型,最大限度地减少了空气阻力。迎面而来的空气能够顺畅地流过车身,而不是产生剧烈的湍流。
阻力增长的“幂定律”: 空气阻力与速度的平方大致成正比(F_drag ≈ C v^2),这意味着速度翻倍,阻力会变成原来的四倍。要克服越来越大的空气阻力,就需要越来越大的动力。动车组通过优秀的流线型设计,尽量降低这个“C”的系数,从而在高速时产生的阻力相对较小。
车身密封与减压: 动车组的车身非常严密,减少了漏风,也降低了空气从车底、车侧灌入造成的阻力和不稳定。

3. 优异的稳定性和控制系统:
低重心与宽轮距: 动车组车体较低,且车轮之间的距离(轮距)比汽车大,这大大增强了列车的稳定性,不容易发生侧翻。
转向架设计: 动车组的车轮和车钩都安装在“转向架”上。转向架不仅允许车轮在弯道上以不同速度转动,还能通过特定的设计(比如勾框悬挂、轴箱弹簧等)来抵消高速行驶中的震动和摇摆。
轮轨关系: 火车的轮子是钢轮,车轮与钢轨之间的摩擦力(附着力)非常大,这使得牵引力能够有效地转化为前进的动力。同时,车轮的锥形设计让列车在轨道上运行时能够自然地进行转向。
悬挂系统: 动车组的悬挂系统非常复杂且精密,可以有效地吸收轨道不平带来的冲击,保持车身的平稳。
车厢连接: 车厢之间的连接(车钩)设计也非常重要,能够传递巨大的牵引力和制动力,同时又有一定的缓冲作用,避免了车厢间的剧烈冲击。
制动系统: 高铁配备了先进的再生制动和电磁制动系统,能够在保证安全的情况下,快速且平稳地降低速度。

4. 专业的“赛道”——轨道:
高精度轨道: 高铁运行在专门修建的、极其平整、精度极高的无缝钢轨上。轨道几何形状(比如坡度、曲线半径)都经过严格设计,以适应高速运行。
轨道稳定性: 轨道床(碎石道砟或整体道床)非常坚固,能够承受巨大的压力和高速列车产生的振动,保证轨道的稳定性。
曲线设计: 高铁的曲线半径通常非常大,这意味着列车在弯道上的离心力相对较小,乘客的体感也更舒适。

三、 汽车为何“费劲”?

1. 空气阻力的“噩梦”:
车身形状: 汽车的设计更多地考虑了空气动力学、空间利用和美观,但要在200km/h以上做到极低的空气阻力,成本会急剧升高,而且牺牲了日常实用性。
迎风面积: 汽车的迎风面积相对较大,即使是跑车,也难以完全避免空气从车底、车身侧面和车顶的缝隙灌入,产生巨大的阻力。
升力与下压力: 高速行驶时,汽车的车身会产生升力,这会减小轮胎与地面的附着力,反而不利于高速行驶。虽然一些性能车通过设计尾翼等来产生下压力,但这也会增加空气阻力,并且需要在特定速度下才能发挥作用。

2. 动力和传动系统的限制:
发动机类型: 汽油发动机在高速时,虽然功率输出依然很大,但效率会下降,而且机械运转的噪音和震动也会急剧增加。柴油发动机更不适合高速。
传动系统: 变速箱(无论是手动还是自动)在设计时需要平衡起步、中低速和高速的性能。要实现200km/h以上的持续高速,需要非常高的档位和精确的齿比匹配。同时,高速运转下的传动系统(如传动轴、差速器)承受的扭矩和转速也远超一般工况。
冷却系统: 在极高速度下,发动机、变速箱、刹车系统产生的热量非常巨大,需要极其强大的冷却系统来维持正常工作温度,否则很容易过热损坏。

3. 稳定性与操控的挑战:
轮胎: 汽车的轮胎是橡胶制品,在200km/h以上时,轮胎的磨损、发热、变形都非常严重,需要专门设计的高性能轮胎。而且轮胎与地面的接触面积相对较小,附着力的极限也更低。
悬挂和底盘: 汽车的悬挂系统需要兼顾舒适性和操控性,在高速时,如果悬挂太软,车身会严重晃动,难以操控;如果太硬,又会牺牲舒适性。底盘也需要有足够的刚性来支撑高速行驶。
转向: 汽车的转向系统需要非常精准和稳定。在高速时,一点点方向盘的晃动都会导致车辆偏离,甚至失控。
重心和侧倾: 汽车的重心相对较高,在高速过弯时容易产生较大的侧倾,增加失控的风险。

4. 制动距离的增加:
动能: 物体的动能与速度的平方成正比(E_k = 1/2 m v^2)。这意味着速度翻倍,动能变成四倍。要将这么大的动能转化为热能(通过刹车),需要非常强大的制动系统,并且制动距离会急剧增加。
制动系统: 汽车的刹车片、刹车盘、刹车油等都需要承受极高的温度和压力,同样需要高性能的配置。

5. 基础设施的要求:
道路: 即使是高速公路,其设计也无法支持汽车在200km/h以上长时间稳定、安全地行驶。路面的平整度、曲率、宽度、隔离带等都受到限制。
驾驶员: 绝大多数驾驶员不具备在200km/h以上进行精确、安全驾驶的技能和心理素质。

总结来说,动车组能在两三百公里每小时的速度下“轻松”运行,是集成了强大的分布式动力系统、极致优化的空气动力学设计、极其精密的机械和电子控制系统,并且运行在世界一流的、为高速量身定制的基础设施上的结果。而汽车,则是在速度、舒适性、经济性、实用性和安全性之间做出的妥协,要在短时间内达到和维持动车组那样的速度,需要克服太多物理上的巨大挑战,付出的代价是巨大的,并且往往超出其设计和日常使用的范畴。

你可以想象,动车组就像是为了在赛道上跑出最快成绩而特意打造的F1赛车(只不过它能载很多人),而汽车就像是能在城市街道、乡村小路,偶尔也能上高速跑得不错的普通轿车。它们的“使命”和“诉求”完全不同。

网友意见

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从一个方面说,并不是这样的,量产车时速突破300是1983年,同年世界上最快的高速列车只能开260。等到高速列车运营速度突破300已经是1989年的事情了。今天世界上最快的量产车(也就是可以上牌的)极速已经接近450了,而高铁,的,也不过380而已。

好,你说不比较量产,比较测试速度,1931年齐柏林号创造了当时世界上最快的列车速度230km/h,同年汽车已经396了,而火车要到1955年才突破300达到334,而同期的汽车已经达到634了,注意这里的汽车还是使用活塞式内燃机,有方向盘有四个轮子的汽车。


从另外一个方面说,确实是这样的。以TGV Duplex为例,吨功率是22kw,相当于30马力,但是可以轻松达到320km/h,汽车的吨功率至少要这个是十倍才有能力挑战300吧。极速的主要原因是阻力,对于火车来说阻力主要集中在前部,所以阻力均摊到长度上就非常小,而动车组的功率和长度是成正比的,而汽车在这方面就很吃亏。另外还有轮胎本身的阻力...


好多人问600多那车长什么样,下面是图片

图二中的数字单位是mph

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补充一下各位知友的答案

只要你的车发电机功率和CRH380AL的一样有14400KW,你也可以做到(滑稽)

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插播一段吨功率的比较,CR400AF复兴号动车组,定员重量473吨,以350km/h匀速运行需要6700kW左右的轮周功率,看似很大,但是吨功率只有14kW/t,按照常见汽车的传动效率,约等于23~25马力/t左右——40马力不到的家用轿车,能开多快呢?空气阻力的规模效应相当恐怖。



不顾其他情况,能不能跑上某个速度主要看该速度下的牵引力能否克服阻力。

这方面主要有2个因素。1.动车组借助了空气阻力的“规模效应”,比如我国高速动车组有8节和16节两种,运行时阻力的大部分是空气阻力。但是同一平台动车组,16节的总阻力并不是8节的2倍而是1.8几倍,反过来8节动车组的总阻力不是16节的0.5倍而是0.55倍左右——可见这种细长结构的物体,长度越大分摊到每一节车体的空气阻力为越小。如果动车组只有一两节,每节车所需的功率要比现在大的多。汽车亏就亏在基本上只有1节,无法与细长的动车组相比。

2.摩擦阻力的不同。国内动车组在平路跑300km/h,每节车厢需600kW,如果是单节跑估计1200kW也够了。极速能到300km/h的轿车估计需要250甚至300kW。可是你看看二者体积的比较,火车车厢绝对不止轿车的4倍,前者空气阻力肯定大的多。问题出在轮胎与路面滚动阻力远大于钢轮与钢轨的。几十吨的火车车厢,在平坦轨道上2个人就能推动,换成几十吨的大卡停在公路上可不好推。


补充一下,火车与汽车的许多不同之处都源于车轮与地面/轨道摩擦系数的差异。一台火车头自己跑,0~100km/h加速最快也就能实现9~10秒,因为摩擦系数能稳定发挥0.3已经不错了,再加马力只能引起车轮空转。国家似乎规定汽车以50km/h紧急制动要在19m停下,这对火车而言也是做不到的,需要0.5以上的摩擦系数。

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