“复兴号”动车组平稳运行的守护神—弹簧

2015年夏天，一位在中国旅行的瑞典游客将一枚硬币竖立在以时速300公里飞驰的高速动车组窗台上，硬币竟然能够屹立8分钟而不倒(图1.a))。相关视频发到网上后，在国内外引起广泛热议，也吸引了很多国外普通民众来中国乘坐与体验高铁。看到这则视频后，某传统高速铁路强国的网友们坐不住了，他们也纷纷在自己国家高速列车上做相同的实验，但对于结果我们只能“呵呵”。

如果说上述瑞典游客把中国制造的名片呈现在世人的面前，而让这张名片金光闪闪的则是年轻的测绘工程师韩遂宁。2017年12月17日，在中央电视台《挑战不可能》节目中，挑战者韩遂宁在时速350公里速度运行的复兴号动车组上用一张火车票作为配重核心，搭建出两层的棕榈叶平衡系统(图1.b))，并挑战成功。挑战的成功不仅让人感慨韩遂宁的绝妙技艺，更让不少观众和铁粉惊叹于“复兴号”动车组稳如泰山地妥帖舒适，纷纷在网上竖起大拇指：“老铁，稳！”。

（动车组稳定性实验）

无论是瑞典游客的硬币竖立实验，还是张遂宁的棕榈叶平衡实验，让人纷纷点赞的原因在于火车运行过程中一直伴随有复杂的晃动(也称振动)，并会产生冲击载荷。当车轮行经某轨道不平顺(h不超过10毫米)时，因通过时间很短，将产生一个可达(5~10)个重力加速的冲击力。这样大的瞬时冲击力不仅会使钢轨弯折，甚至会导致车辆自身的破坏，此时安全性都不能保证，更不用说稳定性了。

（冲击示意图）

那么，在以时速350公里高速运行中，“复兴号”动车组的高平稳性是如何实现的呢？原来，为了降低运行过程中的振动及其影响，动车组设计人员引入了防护神—弹簧(弹性元件)。接下来我们通过一个生活中的现象来体验一下“弹簧”的防护。

找两个居家的坐具，一个是松软的沙发，另一个是高度一样的木板凳。分别站在它们前面，一屁股坐下去，屁股会告诉你具体是什么体验。

（实验装置）

坐在松软的沙发上，屁股摇了几下，没有什么明显感觉；坐在木板凳上则是酸疼酸疼的。坐在沙发和板凳上，屁股感觉上的差异是实实在在的，这又是为什么呢？首先解释一下疼痛，它是在屁股下落过程中由冲击力导致组织损伤而引起的不愉快感觉和情绪上的体验。为了解释上述感觉上的差异，我们就要了解一下冲击力是如何形成的。

因为有弹性，我们把沙发看成一个弹簧，刚度相对很大的木凳为刚性地面，而屁股则看成一个质量为m的质量块，如图4所示。这样就把屁股坐坐具问题简化为质量块m的下落问题。

（力学模型）

下落高度h一样，质量块m接触坐具瞬间的速度v相等，动量也相等。由冲量定理可知，落在板凳(地面)上时，由于刚度大，质量块接触板凳的瞬间速度就变为零，冲击力大，从而导致屁股酸疼；落在沙发(弹簧)上的，弹簧刚度小要变形，显著地增加了接触时间Δt，从而大大地降低了冲击力F，所以屁股没有什么感觉。坐在沙发上和木板凳上的疼痛感程度不一样，归根结底是由于屁股所受的冲击力不同而导致的。

沙发通过弹性，降低了屁股所受的冲击载荷。除了沙发有弹性，密闭容积里一定压力的空气也有弹性，我们称之为空气弹簧。为了降低在运行过程中所受的冲击载荷，提高乘坐的平稳性和舒适性，包括“复兴号”动车组在内的客车车体与转向架之间均采用空气弹簧(图10.5a)、10.5b)))。铁路货车则采用结构简单、运用维护方便的钢螺旋弹簧(图5.c))。

（火车上的弹簧）

上面从力的角度对弹簧进行了分析，还有没有别的解释呢？屁股撞击坐具时感觉到疼，是因为冲击力压迫神经产生，有冲击力和压迫(位移与变形)，也就有做功，所以撞击过程也是能量转换的过程。具体来说，下落时人体的势能转化为动能，而撞击过程中则是人体动能转化为内能的过程：坐在板凳上，由于刚度很大，动能大都转化为人体内能；坐在沙发上，弹簧通过变形把人体的一部分动能变为自身势能，减少了动能向人体内能的转化，从而降低了疼痛感。所以，从能量的角度，弹簧实际上起了“储能器”的作用。

（单摆）

对于物理中所学的单摆，在摆动过程中动能和重力势能不断转化，因此单摆也是一个“储能器”。根据上述对弹簧原理的解释，单摆也可以作为弹簧用以缓和物体振动时所受的冲击。事实上，我国普通客车所装209系列转向架(图7.a))中的摇动台以及货车摆动式转向架(图7.b))中的摆动装置都是“单摆”。通过“单摆”的摆动一方面可以提供一定的刚度，缓和车辆所受的冲击，同时也可以使转向架具有横向复原作用。

（单摆在火车上的应用）

除了在交通工具和生活中(图8)有广泛的应用，在产品设计中用包括弹簧在内的弹性原件来降低结构或设备所承受的冲击载荷已成为设计师的共识。

（“弹簧”的应用）

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