[科普中国]-速度极限

《速度极限3D》是一款快节奏的敏捷类游戏。

爱因斯坦的狭义相对论把光速定位在每秒186，000英里（每秒300，000千米），并把它作为宇宙的速度极限。达到宇宙速度极限要全力行驶6年。

金属材料的速度极限通过一组模拟实验的数据，阐述了金属材料速度极限的概念、实验方法及现实意义；进一步讨论了在速度极限状态下，物质结构深层次的变化和与之相对应的能量释放过程，触及质能关系的本质，为物质极限理论的研究开启了大门。1

金属的速度极限值只选择一种实验方式进行考察：撞击者是各种金属材质的小球，被撞击的靶子是一个理论上固定不动的刚体，那么撞击的结果就是：动能转化成内能、动能和其它能量形式———如果在速度足够快，动能足够大的情况下，动能将在瞬间完全转化成内能，以热能的形式瞬间表现出来，其他能量形式可以小得忽略不计。当此内能达到金属材料的熔点，就认为，这样的速度已经达到了该金属材料的破坏点———即材料的速度极限。因为达到熔点的金属材料已经不再具有器材的使用价值，并且在相反的过程中———由静止到运动的瞬时速度达到这个速度极限值，对材料的破坏结果是相同的———它不是运动，而是熔化，不再具有器材的应用价值。通过测算对比不同金属材料的速度极限值来确定哪种材料更适合于制造“光速飞船”。1

于是可以确定这样的实验方法：金属材质的球a在高速运动的过程中撞击固定不动刚体，动能完全转化成内能，当产生的内能达到球a所用金属材料的熔点的情况下，认为已经达到了这种金属材料的破坏点即速度极限———处于熔化状态的金属材料不再具有器材的使用价值。

假设球a是钢制品，在撞击刚体时动能完全转化成内能Q，且内能Q能够让钢制球体达到熔点 。就是说，钢球在达到熔点时，所需要的内能是Q。即Q=cmΔT（式中c是比热容，钢的比热容是490J/（kg·℃）；m是质量；ΔT是温差，假设环境温度为0℃，直接取钢的熔点1425℃）。就是说：一个质量为m的钢制球体，在环境温度0℃的情况下，达到熔点时所需要的内能是Q=490×1425×m。

故钢球的速度极限值是1181.7m/s。一个以1181.7m/s运动的钢制球体撞击刚，其结果是：钢球在刚体上熔化。需要说明的是相反的运动过程：如果钢制球体处于静止状态，用刚体来撞击它，要求钢球被撞击后由静止到运动的瞬时速度达到1181.7m/s。其结果一样：钢球在刚体上熔化。1

金属材料的速度极限值的两层含义金属材料的速度极限值有两层含义：

（1）金属体由静止到运动的瞬时速度极限值。金属体的速度达到极限值时，呈熔化状态，不再具有器材的使用价值。

（2）金属体在加速后达到速度极限值，撞击刚体，呈熔化状态，不再具有器材的使用价值。

至于金属体在不断加速后究竟能达到怎样的运动速度？有没有速度极限？ 以上所说两个速度极限值之间有无关联？这是以后讨论的话题。

在所列的常见金属中，金属钢的速度极限值最高1181.7m/s；速度极限值最低的是铅仅为291.6m/s。

其实，对速度极限有十分清楚的意识：普通汽车的速度上限设计在240km/h；动车为575km/h；飞机高达21000km/h；子弹的速度达1250m/s。通过实验确定金属材料的速度极限值是件十分有意义的事，对航空航天、高速机车、枪弹的研发都有重要的参考价值。试图把金属材料的速度极限，或者更广义的说———把物质的速度极限作为一个新的物理概念提出来，有其更深层次的含义。1

第一速度极限值和第二速度极限值当金属球a所具有的动能在撞击刚体时全部转化成内能，并且达到了该金属的熔点，把这时的速度称为该金属的第一速度极限值；当金属球a所具有的动能在撞击刚体时全部转化成内能，并且达到了该金属的沸点，把这时的速度称为该金属的第二速度极限值；以此类推，便会看到，动能转化成内能的过程，就是金属材料的物质结构由外而内、由浅入深地被改变或被打开的过程———内能储存在物质的结构中，动能的作用就是改变或打开不同层次的物质结构，释放不同层次的内能。达到某一个速度的阀值，金属熔化；达到下一个速度的阀值，金属汽化。只要能产生足够快的速度、提供足够大的动能———可以打开原子，也可以打开原子核；可以释放原子能，也可以释放核能……。1

高速轮轨速度极限在高铁运用与理论实践基础上，提出了抗蛇行频谱特征匹配原则，并作为超高速转向架技术方案研究的基本指导准则之一。 根据基于抗蛇行频带吸能机制的稳定新理论，以ICE3系列作为基准转向架，通过必要的参数优配，制订了超高速转向架优配方案。动态仿真分析表明：400km/h超高速运用存在3大技术难题：即抗蛇行减振器性能可靠性、车体横向振动响应频带增宽和电机横摆自激振动。尽管这3大技术难题在技术与理论上可以得到解决，但是超高速运用已经丧失了其商业价值。冲击600km/h打破法国574.8 km/h世界纪录，不仅具有十分重要的现实意义，而且也具备技术可行性。但是时速500km/h以上，将出现车轮纵向蠕滑不稳定问题。根据威金斯理论，这是高速轮轨速度极限的重要技术标志之一。2

抗蛇行减振器性能可靠性转向架稳定裕度是影响踏面磨耗的主要因素之一，因而抗蛇行减振器性能至关重要，否则踏面磨耗规律难以保障。对于动车400km/h直线运行来讲，2位轮对的实际滚动圆半径与磨耗指数对比表明：

( 1) 在新车状态下存在轮缘侧磨，但是并不十分严重( ≤200N·m/m)，且随着等效锥度增大而逐步减轻，甚至达到无侧磨的程度；

( 2) 踏面磨耗，经过轮轨磨合，迅速增大，但基本控制在适度磨耗程度( 即磨耗指数80N·m/m左右) ；

( 3) 进入快速磨耗阶段后，下凹型踏面磨耗特征逐渐显示出来，如抗蛇振荡幅值( RMS)2.2σ逐步减小，镟轮之前仅为2.79mm，且踏面磨耗率快速增长。

由此可见，上述磨耗规律仍然取决于抗蛇行减振器性能可靠性，比如由于内部泄漏所造成的相位滞后，甚至抗蛇行减振器漏油等。否则，转向架稳定裕度就难以保障，车轮磨耗将极度恶化。ZF Sachs抗蛇行减振器也仅在新一代高速列车上应用，据称其最高试验速度400km/h以上。2

车体横向振动响应带宽在400km/h直线运行下，等效锥度对动车与拖车车体横向加速度频谱响应特征的影响规律表明：在超高速运行下车体横向振动响应频带增宽，且轮轨磨耗敏感。 但是车体垂向振动并无此类现象。

这是二系横向悬挂相位滞后所产生的非线性所导致的。也就是说，二系横向悬挂具有低阻抗小迟滞特性，在高频激扰作用下形成了相位滞后非线性，造成了大量高频振动的积累能量并传递给车体。由此可见，车体横向振动响应频带增宽，其主要危害在于车下质量是否发生横向耦合振动，并有可能造成裙板支架开裂等疲劳安全问题。这有待于刚柔耦合分析的进一步研究。2

电机横摆自激振动电机横摆自激振动是超高速转向架的主要技术难题之一。车速和等效锥度是影响电机横摆自激振动的2个主要因素。在较高等效锥度下超高速方案Ⅰ与Ⅱ的电机横摆加速度对比可见：在电机横摆转变为自激振动状态后，其横向加速度有所减轻但效果并不明显。

在超高速运行下，前位转向架的后部电机横向振动最为强烈，且呈现后摆倾向。这主要是抗蛇行高频阻抗抑制前位转向架摇头相位滞后所导致的。

对于超高速转向架研制，或者400km/h超高速运用来讲，存在上述3大技术难题。随着认知不断深入，这3大技术难题在技术与理论上可以得以解决，但是已经丧失了超高速运用的商业价值。若未来建设了超高速线路，如更大轨道超高满足其运行安全性等，如高速弓网关系试验研究、整编部队调动和超高速公务列车等。2

车体横向低频谐振在直线500km/h运行下车体出现横向低频谐振，约4Hz，且轮轨磨耗不敏感。在新车状态下，随着车速增高，无论动车还是拖车，其车体横向低频谐振有所增强，且频率也有所上升。2

车轮纵向蠕滑不稳定性随着车速增大，后位前导轮对的车轮纵向蠕滑低频谐振将迅速增强，并逐渐形成黏滑振动现象。当车速达到 600km/h时，后位前导轮对的车轮自旋蠕滑超过0.6/m 的几率较高，因而后位转向架车轮有可能逐渐形成瞬间的纵向黏滑振动现象。因此，克服车轮纵向蠕滑不稳定性是冲击600km/h的关键技术问题，同时也是高速轮轨速度极限的主要技术标志之一。

高速轮轨极限速度是一个有争议的热点问题。威金斯首先提出自旋蠕滑，而三大蠕滑理论也有不同的假设。 特别是自旋蠕滑是否具有饱和曲线特征，轮轨极限速度观点也不尽相同。若存在极限速度，则必须落实高铁经济运用。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学