火车的发展历程:为何要在铁轨上行驶?如何做到不脱轨?

火车现在已经成为了人们出家常用的一种交通工具了,它不仅方便快捷,而且相对于其他交通方式的话其实还要便宜一些。通常来说,我们都听说过坠机事件以汽车和汽车之间碰撞的交通事故,但是却很少听说火车脱轨遇难,当然并不是说没有这种情况发生,只是频率很少

其实这背后主要得益于火车不脱轨所导致的,只要火车正常在铁轨上运行,一般并不会发生重大的安全事故。

火车的发展历程:为何要在铁轨上行驶?如何做到不脱轨?

驶向远方

火车的演进的历程

火车的演进史是非常短暂的,但是却诞生了许多种类的火车,而且性能几乎是一代比一代强。最早的火车是诞生于蒸汽时代,在瓦特发明蒸汽机后,欧洲社会就逐渐走向了强盛。

蒸汽机的运用首先是在矿井内部的排水泵煤斗吊车的领域上,不仅如此,当时有一些物理学家还在考虑这种蒸汽机是否能够用在交通运行上的问题上,使之成为一种能够动态行驶的机械。

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蒸汽机的发明几乎改变了一个时代

由于当时的各项条件有限,所以想要制作出这样的机械出来就要面临很多的问题,比如车轮在车道上不打滑气缸的排气以及锅炉通风等,都是需要急待解决的。于是一位来自英国的物理学家理查德特里维西克在1804年就开始尝试火车的研发。

他制造出了一辆有着单一气缸和一个大飞轮的蒸汽机车,这辆机车能够同时牵引5节车厢,并且还可以以每小时8公里的速度行驶。因为当时的燃烧材料大多是煤炭和木柴等,所以在释放能量时通常都会产生火焰,所以人们都叫其为“火车”。

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蒸气火车

遗憾的是这辆火车在设计之初并没有驾驶位,而驾驶员就只能在车子的一旁,边走边检查。在1808年,理查德意识到上一辆火车的局限性,于是就在其基础上制造出了一辆“看谁能捉住我”号机车,当时理查德没有考虑到轨道的承重能力,所以机身的重量就过大了,最后使得火车在行驶过程中遭遇脱轨,最后停止使用。

尽管说世界上第一辆火车夭折了,但是却为后来真正意义上的火车开拓了实验性的第一步。

各种火车相继出现

1825年史蒂芬森和另外的一些物理学家通过仔细研究,发明出了“旅行者”号蒸汽机车,在轨道实验中表现出的性能是非常好的,于是便直接投入到了交通运输上,让人类进入了真正意义上的“火车时代”

而我国曾经也自主研发过火车,在1881年清政府同意了唐胥铁路的修建工程,于是当时的唐山开平矿务局的工人们利用英国工程师金达的几张图纸,使用矿场遗留下来的起重锅炉和竖井架的槽铁等材料组合成了中国第一辆火车—“中国火箭”号

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“中国火箭”号

到了内燃机时代,火车的运动效率就大大增强了,在20世纪初期,欧洲各国开始把内燃机投入到火车的研制当中。苏联率先完成了第一台电力传动式内燃机,并投入使用。德国也紧随其后,同年,德国使用柴油机和空压缩机相互配接,通过让柴油机排挤的余热来加热压缩机里的空气从而直接替换掉原来的蒸汽系统,使得其成为一种空气传动内燃机

我国第一辆内燃机火车是在20世纪中叶研发成功的,被叫做“巨龙”号火车,是在北京长辛店机车车辆厂诞生,它以60多吨重的体量和600多马力的牵引功率使得其最高速度为85公里每小时

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“巨龙号”火车

而进入了电气时代,火车又有了新的进步,电动机车要比蒸汽火车的码率高出一倍,而且投入的成本和污染力度等也比蒸汽火车小。很多人以为电气火车要晚于蒸汽火车,其实不然,电气火车并不比蒸汽火车的研发历史短暂。

1890年的时候,英国伦敦就曾使用过一辆电动机车,并且还在一段5.6公里长的地下铁道上尝试牵引车辆。这便是世界上第一辆电动火车。而关于高速火车时代则是在上个世纪六十年代了。

1964年,东京奥运会的前夕,连接东京和新大阪的东海道新干线正式开始运营,电动火车以每小时210公里的速度飞速前进,于是人类开始迈入了有铁路的时代。

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东海道新干线

火车为什么不会脱轨呢?

在我们弄清楚火车不脱轨的原因前,必须先知道为什么火车要走轨道。火车不能够像汽车一样能够在马路上行驶,只能够在特定的轨道上运行,而且火车轨道很不一样,中间还会铺上很多细小的石子。

  • 轨道的作用

火车平时会拉一些乘客和比较重的货物等,再加上火车的车身和车轮是用钢铁做成的,导致每一节车厢都是很重的。如果说火车直接在公路上跑,那么就势必会导致公路被压烂的情况发生。

而用一些轨道就能够很好的避免这个问题,这样就可以使得地面承受的压力减少很多。还有一个原因就是铺上铁轨能够减少火车和地面的摩擦力,因为火车的快速行驶,能够在光滑的轨道上形成比较弱摩擦力,从而有利于提高车速

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绕出优美的弧线

还有一个重要原因就是因为轨道的倾斜面和轮缘斜面十分顺滑,安装火车轨道可以使得火车顺利转弯。除此之外,轨道还有一个很重要的作用就是可以减少占地的面积,如果说火车在马路上开,那么其他的汽车根本无法从它的后面行驶。

而且火车的车轮是实心铁,想要飞快的行驶就必须找到一种拥有很强硬度以及高韧性的材料来承受住压力,而如果火车在普通的柏油路面行驶就很容易导致路面损坏。

轨道的建造也很有讲究,铁路的截面一般都是一种梯形,上铺有铁轨,而下面则是一些枕木,枕木下面才是碎石,如果你仔细观察就会发现其实碎石下面还另有玄机。

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纵横交错的铁轨

把碎石弄开就会发现里面是一种硬性的地面,这种路面有的地方是采用黑土,而有的是混凝土,但是都是通过压路机碾压过很多次的,以此避免火车因为压力因素导致深陷地面无法行驶,甚至是脱轨侧翻

火车的每个车轮都有轮缘,轮子内侧会突出的一部分。这个轮缘主要作用就是防止火车脱轨,保证火车安全行驶,若是火车发生了事故,很有可能就是轮缘的磨损太大超出了标准范围

  • 现代的火车是如何动起来的

最早的火车是使用一种牵引车头来带动行驶的,利用煤炭来提供蒸汽动力,从而让火车能够行驶起来,产生一种牵引。

而现在的火车大部分是依靠电力来带动了,这种电动火车需要在火车运行铁轨的上方安装一种电线,来为火车提供电力使其行驶,让火车的车头带动整节的车厢

很多人会好奇火车的驾驶室是什么样子的,其实在火车的驾驶室内,根本没有方向盘,所以它不能够像汽车一样能够自由行驶,而且线路和方向也不需要司机来控制,轨道控制系统就能很好的解决运行问题。

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火车驾驶室原来是这样的

而火车司机在行驶过程中唯一需要做的就注意前方情况,控制好火车车速,在规定的地方停车就行了,而驾驶室里的速度控制器也叫作司机控制器,位于操作台的地方。

这种列车的制动系统仅仅需要两个闸门来控制,第一个是单阀,用以单机动车的制动,而另外一种就自阀,它就更为关键了,可以全车制动。而这两种阀门都是处于驾驶舱中的司机控制台上。

当火车司机进行开车后,就能够一边让右手来控制车速左手则用于列车制动,而以内燃机为动力核心的火车控制手柄一般是控制柴油机的转动速度,并且使用的时候还需要各种联合设备配合来完成。

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使用通讯设备的火车司机

  • 中国磁悬浮列车的建造

现在以老式铁轨为主的铁皮火车已经逐渐被淘汰了,取而代之的是比较先进的磁悬浮列车,而在磁悬浮列车上最为关键的设备就是超导线圈,它能够产生一种浮力使得列车上浮,形成推进力,而在磁悬浮列车上几乎都会安装一台液氮的压缩制冷器。使得超导磁悬浮设备能够在零下196摄氏度的气温下形成一种悬浮状态

简单地说这就是一种相互排斥的原理,在行驶的过程中,列车的主体和轨道间始终会有10毫米的间隙,这样才能够让磁悬浮列车没有和轨道间的摩擦力使得行驶速度大大增强

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列车与轨道留出间隙

最早就是德国运用常导型的磁悬浮技术,而这种技术就是利用抱轨行驶,使得列车的车身下部能够有一种类似双臂的器械来将轨道抱住,这样就能避免磁悬浮列车脱轨的情况发生。

而我国的磁悬浮列车其实也是采用的这种方法,不仅安全性增强很多,而且速度也能够有保障,就拿上海目前行驶的磁悬浮列车为例,它从市区中心到机场,行驶的速度几乎达到了每小时430公里左右。

而磁悬浮列车没有动力机,那么它是怎么运行的呢?其实就是和磁铁间的相斥相吸一样的道理。在接通电能后,列车中的磁铁就会成为一块带有正负极的电磁铁。而轨道上的磁铁便会和列车上的磁铁相互排斥从而推动列车的持续前进

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磁悬浮列车结构图

我国的高铁建设已经将总里程数达到了2万多公里,成为世界上最为先进的高铁技术掌握国家,更是被外国人称为中国人新四大发明之一。而国家现在依旧要大力发展磁悬浮列车,就是因为它的安全性能和运行速度以及性能上都是非常高的。

当然它也有一些问题目前还没有被克服,比如在运行中它会产生一些具有辐射伤害的声音等。

总结

人类仅仅用了数百年的时间就将交通工具革新到了一个新的时代,而且在未来一定还会推行出更多的行驶工具。尽管说轨道火车用现在的眼光来看待的话,可能会显得比较老了,但是人类依旧会记得它曾在交通历史上留下的精彩篇章

火车的发展历程:为何要在铁轨上行驶?如何做到不脱轨?

风风火火的磁悬浮列车

而对于磁悬浮列车的研发探索,科学家们从来没有停止过步伐。小编相信,在未来的某一天,科学家们一定会突破现在的研发问题,从而将磁悬浮列车彻底在全国推广,这样就能极大方便人民的生活生产了。

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