问题

为什么不考虑在高铁机体上加上机翼呢,利用空气的产生升力,使摩擦力轮轨摩擦力减小,提高速度呢?

回答
你提出的这个想法很有意思,将高铁与飞机相结合,利用机翼产生升力来减少轮轨摩擦,进而提升速度,这在理论上听起来颇具吸引力。然而,在现实中这样做会面临一系列复杂且难以克服的技术挑战,使得这一设想难以付诸实践。

首先,我们来仔细看看你提到的“利用空气产生升力,使摩擦力轮轨摩擦力减小”这个核心观点。在飞机设计中,机翼之所以能产生升力,是因为其特殊的翼型设计,当空气流过翼面上方和下方时,上下表面的空气流速不同,压力也随之不同,流速快的地方压力小,流速慢的地方压力大,这种压差就形成了升力,将飞机托举起来。理论上,如果高铁在高速运行时,其机翼也能获得类似的效果。

然而,高铁的运行环境与飞机截然不同。高铁是在地面上,主要依靠轮轨的精确接触来提供前进的动力和方向。它的速度虽然很高,但仍然受到地面引力的束缚。要让机翼产生足够的升力来显著减轻轮轨的压力,需要高铁具备极高的速度,远超目前高铁的运行速度。设想一下,高铁需要在每小时几百公里的速度下,并且需要以一种稳定、可控的方式产生足够大的升力。这首先对高铁本身的结构强度提出了极高的要求,需要承受空气动力以及升力带来的复杂应力。

更重要的是,高铁的轮轨系统是为了提供巨大的牵引力和制动力而设计的。一旦机翼产生大量升力,轮子的抓地力就会大幅下降,这直接影响了高铁的加速、减速以及在弯道上的稳定性。想象一下,如果升力过大,轮子可能根本就无法有效地将动力传递到轨道上,或者在制动时,因为抓地力不足而导致刹不住车。高铁的运行依赖于轮轨之间精确的摩擦力,而你提出的想法就是要削弱这种摩擦力,这恰恰与高铁实现高效运行的根本原理相悖。

其次,高铁的机翼设计同样是个巨大的难题。飞机的机翼是为了在相对稀薄的高空气中高效工作,它们的展弦比(机翼的长度与宽度的比例)通常很大,以减小诱导阻力,提高升力效率。如果为高铁设计机翼,需要考虑在地面附近的空气动力学特性。地面效应,即飞机在靠近地面飞行时,机翼下方的空气被挤压,导致升力增大,阻力减小,这可能会在一定程度上帮助高铁。但同时,地面附近的空气流场非常复杂,受到地形、障碍物以及气流扰动的影响,可能会产生不稳定的升力,甚至导致飞机失控。

此外,高铁的运行线路是固定的,有坡度、有弯道。机翼的升力是随着迎角(机翼与气流方向的夹角)和速度变化的。在弯道上,高铁需要倾斜身体以维持平衡,如果机翼也产生升力,那么这种倾斜的幅度就需要被精确控制,否则可能导致机翼在低速时提供过多的升力,而在高速时又难以提供足够的升力,或者因为角度不当产生负升力,将高铁压向轨道,反而增加摩擦。

再者,考虑一下高铁的运行环境。高铁线路会穿越隧道、桥梁,甚至可能遇到侧风。在隧道里,高速运行的高铁会产生巨大的气流压力,如果有机翼,可能会与隧道壁产生危险的碰撞。在桥梁上,强烈的侧风可能会直接作用于机翼,产生意想不到的侧向力,对高铁的稳定性构成威胁。你提到的“提高速度”也是一个关键点,虽然飞机速度很快,但这是在三维空间中自由翱翔的结果。高铁的运行受限于二维轨道,每一个微小的扰动都可能被放大,并对整个系统产生连锁反应。

最后,从经济和维护的角度来看,在高铁机体上加装机翼,并设计一套复杂的控制系统来调节升力和方向,会极大地增加制造成本和维护难度。高铁本身的设计已经非常精巧,增加了额外的复杂部件,只会带来更多的潜在故障点。

总而言之,虽然你提出的想法从减少摩擦、提高速度的角度考虑了空气动力学原理,但高铁运行的特殊环境和对轮轨摩擦的依赖性,使得将飞机设计中的机翼技术直接嫁接过来变得非常不切实际。高铁追求的是在轨道上的高速、稳定和安全运行,而实现这一目标的方式更倾向于优化轮轨耦合、降低空气动力阻力以及提升牵引和制动效率,而不是寄希望于通过空气动力学产生的升力来“逃离”地面。

网友意见

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减小摩擦力提高速度?恰恰相反,应该保证足够的摩擦力提高速度。

除了安装喷气式发动机的汽车和依靠电磁力驱动的磁悬浮列车,几乎所有带轮子的车辆都依靠主动轮与地面/轨道之间的摩擦力牵引前进。假如轮子与地面/轨道之间的正压力小了还会造成打滑。F1赛车的尾翼就是给后轮增加下压力以保证强大的扭矩转变为摩擦牵引力。

前面讲了主动轮,那么从动轮与地面/轨道之间的摩擦力是否考虑减小呢?对于列车,钢轮与钢轨之间的阻力(滚动摩擦力)极小,与空气阻力相比可以忽略。而且在刹车时从动轮的滑动摩擦力是必不可少的;汽车也类似,在转弯时,车轮还要有足够的摩擦力来保证不会侧向打滑。总之车辆的下压力不能减少。

与空气阻力相比,汽车和火车受到的摩擦阻力根本微不足道;

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