Một thiết kế nâng cơ thể nâng cấp có thể hữu ích cho một chiếc xe lửa?

Cơ thể nâng

Ý tưởng thiết kế thân xe nâng là định hình thân xe theo cách tạo ra lực nâng không cánh. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng đây có thể là một phương pháp hiệu quả để giảm lực cản trong khi vẫn cung cấp lực nâng.

Điều này thường được thực hiện cho máy bay hoặc tàu vũ trụ:

Một cách tiếp cận tương tự có thể giúp làm cho tàu hiệu quả hơn?

Các chuyến tàu chở khách đã được sắp xếp hợp lý và khí động học:

Tàu chở hàng không:

Sức cản không khí không phải là hình thức kháng cự duy nhất mà tàu hỏa phải vượt qua. Họ cũng phải vượt qua sức cản của bánh xe trên đường đua. Đây là nơi tôi sẽ nghĩ rằng sự tiết kiệm năng lượng từ một thiết kế cơ thể nâng sẽ đến từ. Bất kỳ lực nâng bổ sung nào được tạo ra bởi thiết kế thân nâng sẽ làm giảm ma sát giữa các bánh xe và đường ray, do đó tiết kiệm năng lượng.

Bánh xe lửa có mặt bích trên chúng, vì vậy chúng không cần lực kéo để điều khiển. Những chiếc xe cũng không cần lực kéo trên đường ray vì bánh xe chỉ ở trên động cơ.

Một cơ thể nâng có thể tạo ra lực nâng đủ ở tốc độ tàu điển hình để tạo ra sự khác biệt đáng chú ý?

Tôi sẽ không nói rằng không thể tạo ra sự khác biệt đáng chú ý. Nhưng tôi sẽ nói rằng điều đó thật khó xảy ra.

Lực nâng và lực kéo trên bất kỳ cơ thể nào thường phụ thuộc vào vận tốc của cơ thể ( ), mật độ của chất lỏng ( ), diện tích của vật ( ) và hệ số không thứ nguyên ( hoặc ). Khu vực áp dụng có thể hơi mờ về việc bạn đang nói về khu vực phía trước hay khu vực hành tinh, nhưng đối với một chuyến tàu, về cơ bản, đây sẽ là khu vực trong mặt phẳng bình thường theo hướng di chuyển (với hầu hết các xe lửa chỉ đơn giản là trong đầu của đầu máy). Các hệ số có thể thay đổi một chút với vận tốc do nhiễu loạn, nhưng nhìn chung sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 2. Dạng chức năng là:$v$$\rho$$A$$C_L$$C_D$

Ước tính chính xác một chuyến tàu chở hàng là cao và rộng, di chuyển với tốc độ ( ). Điều này cho chúng ta rằng lực nâng sẽ vào khoảng cho toàn bộ tàu (không đủ để nâng một chiếc ô tô thông thường). Tính toán này không có nghĩa là cực kỳ chính xác, nhưng ngay cả khi nó giảm đi 10 lần, lực nâng sẽ rất nhỏ so với trọng lượng tổng thể của chiếc xe.$4\, m$$16 \, m/s$$57 \, kph$$2500 N$

Do đó, bạn có thể xem xét ưu điểm của việc thêm các yếu tố khí động học bổ sung. Tại đây bạn có được sự đánh đổi giữa việc tạo lực nâng (để giảm lực hướng xuống trên các bánh xe) và tạo lực cản. Mặc dù tỷ lệ nâng-kéo có thể tăng cao (~ 50 trong trường hợp tốt), lực cản lăn của bánh xe lửa thực sự rất thấp ( ). Vì vậy, mặc dù thang máy sẽ giảm tổn thất do ma sát, nhưng nó sẽ làm tăng tổn thất do kéo nhiều hơn.$C_{rr} \sim 0.00035$

Vì vậy, giảm lực cản là tốt nhưng cung cấp thang máy có lẽ không đáng. Trong thực tế, giảm lực cản với chi phí thêm một số trọng lượng có thể có lợi vì bánh xe rất tốt trong việc mang tải hiệu quả.

NB Tôi đã tham khảo Wikipedia và hộp công cụ kỹ thuật cho dữ liệu . Tôi không thể xác minh nguồn cho bánh xe đường sắt, nhưng đã có thể xác nhận rằng các giá trị cho lốp xe đường bộ là chính xác thông qua "Nguyên tắc cơ bản của động lực xe" của Gillespie. Bất kỳ ý tưởng về xác minh sẽ được hoan nghênh.$C_{rr}$

Bạn không muốn giảm lực hướng xuống trên các bánh xe vì đó là phương tiện chính để giảm tốc độ trong trường hợp khẩn cấp . Phải mất một thời gian để dừng một chuyến tàu, đừng kéo dài nữa. Hãy nhớ rằng ma sát động học (bánh xe bị khóa) tỷ lệ thuận với lực hướng xuống trên bánh xe và hệ thống phanh được trải dọc theo mỗi chiếc xe.

Bánh xe lửa có mặt bích trên chúng, vì vậy chúng không cần lực kéo để điều khiển. Những chiếc xe cũng không cần lực kéo trên đường ray vì bánh xe chỉ ở trên động cơ.

Họ làm cần kéo, bánh xe hơi hình nón có bán kính ở bên ngoài là lớn hơn bên trong và họ đều cùng với các trục. Cách này khi tàu chạy lệch tâm hoặc rẽ, bánh xe bên ngoài có bán kính hiệu quả lớn hơn, do đó sẽ quay ngược về trung tâm của đường ray.