高中物理知識在軌道交通方面應用研究

王海博

摘 要：近年來，我國在現代科學技術研發領域取得了舉世矚目的成就，并已經轉化為實際生產力，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用的物理知識，通過舉例加以分析，以期高中生加深對高中物理知識的了解。

關鍵詞：高中 物理知識 軌道交通 應用

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（c）-0220-02

軌道交通技術水平是一個國家綜合實力的重要表現。在過去較長的一段時間里，我國在軌道交通技術方面與歐美發達國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已經處于領先位置。軌道交通技術涉及內容較為復雜，其中基礎物理知識在其中有著較為廣泛的應用，如高鐵轉彎處的軌底坡角度選擇、軌道裂隙檢測等。

1 高速鐵路的軌底坡角度選擇

高速鐵路軌道因施工的實際情況不同，多數無法直線鋪設，在此情況下，需要在選定地點進行不同角度的線路調整。高速行進的列車在轉向過程中必然會產生離心力，這不僅會威脅列車的安全，還會影響鐵路軌道的使用壽命。因此，在保證列車速度的基礎上，如何處理轉彎過程中的離心力就成為高速鐵路發展的關鍵問題。

在高中物理學中，離心力與速度、轉向半徑有著直接關系。根據高速鐵路的設計時速，可以調整轉彎半徑，由此產生的離心力F1與通過抬高轉彎半徑外側鐵軌高度產生的重力G和Fn的合力F2相抵消，如圖1所示。

只有在F1與F2相等時，高速列車在轉彎過程中才能夠保持最佳狀態，同時不會對鐵路軌道造成損害。根據離心力計算公式F=m·V2/r，在速度V和轉彎半徑一定的情況下，根據力的矢量合成原理，需要通過傾斜的軌道提供一個與離心力大小相等、方向相反的力，這就是F2。根據圖1中的矢量關系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。

維護保養高速鐵路軌道時，為確保軌底坡高度的精確，多數采用軌底坡測量儀進行檢測，避免因軌道傾角變化帶來的潛在風險。

2 軌道裂隙檢測

任何一種軌道都存在金屬疲勞特性，在長時間的高強度工作狀態下，地鐵、高鐵、有軌電車等交通工具軌道都會出現不同程度的裂隙，如果發現不及時，極易導致重大交通事故，進而威脅人們的生命、財產安全。針對這一情況，研究人員設計了一種高速軌道裂隙檢測工具，其中就應用了高中物理中電磁學知識。

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。研究人員根據雷達原理，將一部雙工雷達安裝在軌道檢測車上，向軌道持續發射電磁波，并接收軌道反射回來的電磁波。軌道檢測車可以根據反射回來的電磁波的相位特征繪制軌道狀態圖譜，從而判斷所測軌道是否存在裂隙。

在軌道裂隙檢測車的設備組成中，慣性測量裝置十分重要。確定裂隙點的準確位置，除可以借助GPS定位以外，對于具有特殊用途的軌道還需要慣性測量裝置，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、加速度計構成。在已知起始點的情況下，慣性元器件分析方位陀螺儀提供的角度分量和加速度計輸出數值，準確定位該軌道裂隙檢測車在某一時刻的位置，這大大縮短了處理軌道裂隙所需時間。

但是基于電磁波的軌道裂隙檢測裝置對空間電磁環境的純凈度要求較高。提高軌道裂隙檢測的精度，應當慎重選擇電磁波的頻率，避免受外界電磁干擾。

3 磁懸浮鐵路的動力來源

磁懸浮鐵路利用電磁感應原理，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，從而提高運行速度。磁懸浮列車的動力來源可以應用高中物理知識電磁感應知識進行解釋。

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，在兩條軌道鋪設反作用板和感應鋼板，從而磁化反作用板和感應鋼板，在向上托舉磁懸浮列車的同時，推動磁懸浮列車前進。通過調節電流大小，可以控制磁場強度，進而達到控制磁懸浮列車速度的目的。

4 結語

高中物理知識在軌道交通方面的應用并不局限于以上幾個方面。物理是基礎科學的重要組成部分，我們應該重視這一學科，認真學習理論知識，善于從生活中發現并分析物理知識，從而培養自身的綜合素質。

參考文獻

[1] 曾宇心.當代軌道交通中涉及的物理學原理[J].科技展望，2017，27（1）：12.

[2] 許克亮.高速鐵路綜合維修必要性分析及方案建議[J].鐵道勘察，2010，36（3）：122-125.

[3] 遆宇.淺談磁懸浮列車及其發展[J].內蒙古科技與經濟，2008（8）：330-332.