高速列車會“吸人”嗎

摘" "要：針對“高速列車會吸人”這一經典認知誤區，在對伯努利方程剖析的基礎上，指出用伯努利原理解釋該現象的錯誤之處。查閱專業文獻，分析了高速列車對人的空氣動力，發現高速列車不僅會“吸人”還會“排斥人”，但吸力和排斥力有限，并不是最大的危險來源；根據實驗，時速120 km/h的列車并沒有將人吸向列車，而是會帶動氣流將人向前“推”倒，這才是主要的安全威脅。

關鍵詞：列車；吸人；伯努利原理；機械能守恒

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）2-0070-3

中學階段通常認為高速行駛的列車會帶動其周圍的空氣高速流動，根據伯努利原理便可得出列車附近壓強小，人如果比較靠近列車則會被“吸”過去。然而，事實真的如此嗎？這就需要對伯努利方程的本質以及高速列車周圍的流場進行剖析。

1" " 對“列車吸人”現象的認知誤區

1.1" " “列車吸人”現象的經典解釋

“列車吸人”現象指列車高速行駛時會將站臺上比較近的人“吸”向列車。據說站臺上安全線就與此現象有關。

當前，對“列車吸人”現象的經典解釋為：高速行駛的列車會帶動其周圍的空氣高速流動，根據“流體在流速大的地方壓強小”可得，越靠近列車空氣壓強越小，因此圖1中站臺上的人與列車之間的空氣流速大、壓強小，人后面遠離列車的地方空氣流速小、壓強大，于是人就受到一個指向列車的力，所以人就會被“吸”向列車。

然而，事實真的如此嗎？這就要對伯努利方程進行剖析。

1.2" " 伯努利方程的本質及適用條件

伯努利方程是由機械能守恒推導得出的理想流體定常流動能量方程。如圖2所示，對于流管中流動的理想流體，若流體的機械能守恒，則在流線的前后兩處有p+ρv+ρgh=p+ρv+ρgh，這就是伯努利方程。其中，p表示流體的靜壓（也是單位體積流體的壓強勢能），v表示流體的流速，h表示流體的高度。也可以將伯努利方程表述為：p+ρv2+ρgh=C（C表示常數）。當流體的高度變化可以忽略時，方程就變成了p+ρv2=C［1］，其物理意義為：當理想流體只在自身壓力差的作用下等高流動時，流體的動能和壓強勢能可以互相轉化，流體的機械能守恒。根據這個方程可得出“流體在流速大的地方壓強小”，這就是伯努利原理［2］。

由于伯努利方程是由機械能守恒推導出的，所以必須滿足以下限制條件：①同一流線。壓強的比較只能在同一流線上，不能跨流線比較。②不可壓縮。壓力做的功不能通過壓縮轉化為內能，否則流體的機械能不守恒。③無粘滯性。流體的機械能不能被滯性效應（摩擦效應）損耗。④定常流動。流場中任意一點p，v，ρ都不隨時間的變化而變化，除重力外，不能有其他外力對流體做功［3］。伯努利原理的嚴謹表述為：對于無粘、不可壓縮、定常流動的流體，在同一流線上流速大的地方壓強小。

1.3" " 不能用伯努利原理分析“列車吸人”現象

首先，空氣是有粘性的，這就使得伯努利方程的限制條件③不成立。由于粘性，列車會“拖動”氣流并對氣流做功，氣流的機械能會變大，伯努利方程不成立。再者，圖1中人前方的氣流和后方的氣流并不在同一流線，跨流線比較壓強違反了限制條件①。因此，不能用伯努利原理解釋所謂的“列車吸人”現象。

氣流是被列車拖動、做功而被加速的，此過程氣流的壓強不變，只是動能變大了。此過程不涉及到壓強勢能和動能的互相轉化，氣流因為被拖動、被做功而機械能變大。

列車行駛時會擾動其周圍的空氣并對附近的人有復雜的空氣動力，這要用更復雜的理論具體分析。

2" " 高速列車對附近人的空氣動力

關于高速列車是否會“吸人”，國外的一檔科普節目《流言終結者》進行了實驗，根據其實驗，時速120 km/h的列車并沒有將“人”吸向列車，而是會將人向前推倒；列車帶動的、平行于列車的氣流將人沿著列車前進的方向猛烈地“推”倒。

圖3為仿真模擬的160 km/h 時速行駛的動車組列車側面的壓力系數（流體力學中通常將流體的壓強稱為壓力）分布。壓力系數是一個無量綱數，它描述的是相對壓強，壓力系數為零表示此處壓強與自由流體壓強相同，壓力系數為負值表示此處壓強小于自由流體壓強，壓力系數為正值表示此處壓強大于自由流體壓強。由圖3可以看出，低壓區主要在車頭和車尾，車身處壓強降低得非常少［4］。

從圖3可以發現，車頭側面的壓力一開始是“正壓”，然后迅速變為“負壓”。這是因為列車高速駛過時，車頭正前方（鼻尖處）的空氣被擠壓并向前推，所以車頭側面的壓力就是正壓，并對人形成一個“外推”力；車頭兩側的空氣在壓力差的作用下，會加速向后“繞過車頭”，流體力學中氣流轉彎時通常會在氣流內側形成負壓區，所以會對人形成一個“內吸”力，如圖4中箭頭所示［5］。圖5是用 FLUENT 仿真模擬得出的無風環境下動車組列車以250 km/h直線運行時車頭和車身壓力分布云圖［6］，由圖5可以看出車頭正前方（鼻尖處）壓強最大，車頭的弧頂部壓強減到最小，這與前述分析的結果相同。科普節目《流言終結者》中并沒有觀察到人被“排斥”或“吸引”，可能是因為兩者切換得非常快，且持續時間都很短，使得最終人既沒有被“排斥”，也沒有被“吸引”。

根據圖3，車身處空氣壓強雖然比大氣壓略低，但遠沒有車頭與車身銜接處那么低。這是因為在車身處周圍氣流被列車“拖著”前進（圖4），雖然動能變大，但壓強勢能不變，因為動能變大不是源于壓強勢能的轉化。但由于被拖動的氣流亦會將附近的空氣卷入并帶走，周圍空氣補充沒那么及時，導致車身周圍氣壓會略微降低。這種氣壓降低與伯努利原理中“壓強勢能轉化為動能”導致的壓強降低有本質區別。列車周圍空氣被“卷吸帶走”而形成的“吸力”極其微弱，反倒是隨列車一起前進的氣流會給人一個相當大的前推力（圖6中大箭頭所示）［5］，這個力會使得人向列車行駛的方向摔倒，這與科普節目《流言終結者》中的實驗結果吻合。

在車尾與車身的銜接處（車尾頂部、弧頂過渡處），也會形成一個低壓區，這是因為氣流要轉彎繞過弧頂，所以壓強降低。現實中列車尾流較復雜，會存在一些漩渦，使得車尾鼻尖處氣壓回升，此處不具體介紹。因此，車尾處氣流對站臺上的人不僅會向前“推”，還會略微向里“吸”，如圖7中大箭頭所示。

3" " 結論與建議

高速列車“吸人”并不完全正確。當列車高速行駛時，車頭對站臺附近的人會先“排斥”后“吸引”，車身對人的“吸引”小到可以忽略不計，車尾對人也有一定的“吸力”。“吸力”的形成也不能用伯努利原理解釋，因為此時伯努利方程的限制條件沒有得到滿足，伯努利方程不成立。現實中，相對于氣流的“正推力”而言，“吸力”和“排斥力”很多時候并不是最大的安全威脅，“正推力”會將人猛烈地向列車行駛的方向推倒。

要給學生一杯水，教師必須要有一桶水。中學階段可以不給學生詳細介紹伯努利原理的限制條件，但教師應當了解伯努利原理的本質及其限制條件。教師在呈現例子說明伯努利原理時，務必考慮伯努利原理的限制條件。教學可以簡化相關知識，但不能指鹿為馬。筆者建議對于“列車吸人”現象，應當實事求是，切不可用錯誤的理論解釋。

參考文獻：

［1］任少鐸.“流速大壓強小”中的流速是相對地面的速度嗎？——對香蕉球現象的再分析［J］.物理教師，2021，42（4）：63-65.

［2］任少鐸.伯努利方程的本質及機翼升力的教學分析［J］.物理教師，2023，44（6）：63-65.

［3］易文彬，孟慶昌，鄧輝，等.伯努利方程教學設計中的若干問題［J］.力學與實踐，2021，43（6）：967-972.

［4］帥大洲，徐永綏.動車組明線運行外流場數值仿真［J］.機械設計，2020，37（S2）：31-34.

［5］王洪偉.解析流動：畫說流體力學［M］.北京：人民郵電出版社，2020.

［6］李學全.高速動車組列車氣動特性及安全性分析［D］.大連：大連交通大學，2017.

（欄目編輯" " 蔣小平）

收稿日期：2023-09-20

作者簡介：任少鐸（1990-），男，中學一級教師，主要從事初中物理教學研究工作。