铁轨转弯处是倾斜的，火车只能按设计速度行驶，这是为什么？

如果时常与铁轨为伴，就一定会注意到一个现象，那就是转弯处的铁轨有些不太一样，它是倾斜的。

小时候最开心的事情就是在寒暑假去爷爷奶奶家里住，他们的家坐落于一个货运火车站之中，所以走铁轨就成为了每天都有的娱乐活动，走得多了，就发现了一个现象，转弯处的铁轨是存在着一定倾斜角度的。爷爷年轻时曾经担任过火车的车长，他告诉我这是因为火车需要转弯，但具体火车转弯与铁轨倾斜之间存在着怎样的联系，他就说不清了。

那么，转弯处的火车轨道到底为什么是倾斜的呢？任何一个移动中的物体，人、自行车、摩托车或者是汽车，如果想要转弯，都需要一个向心力，而对于大多数移动中的物体而言，要获得这个向心力并不是什么难事。它们只需要让自身有所倾斜便可以了。

一个位于地面之上的物体会给地面施加一个重力，同时又会受到地面的支撑力，这个重力与地面的支撑力是大小相等、反向相反且共线的。

当这个物体倾斜的时候，重力与支撑力仍然是大小相等、反向相反的，但却不共线了。因为倾斜的时候，物体的重心偏向了倾斜的一侧，所以对地面施加的重力就是从重心到地面，而地面所提供的支撑力是在物体与地面接触的位置，当一个物体受到两个相反方向且不共线的力时，它就会转。

此外，由于物体转弯时的向心力与物体的速度是呈现正比关系的，所以物体的速度越快，转弯时所需要倾斜的角度就越大，否则就会发生翻转，所以我们在走路和跑步的时候，能够明显感觉到转弯时身体倾斜的角度不同，更为明显的例子是摩托车比赛，转弯时车手和赛车基本上都快贴到地上了，这一行为的专业术语被称之为“压弯”。

明白了物体是如何转弯的，我们就可以回来说说火车的轨道了。人也好、摩托车也好，想要转弯，只需要倾斜就好，可火车这个东西似乎没有办法倾斜，既然火车本身不能倾斜，那么就只好让轨道倾斜了。

当火车在倾斜的轨道上行驶的时候，会向正下方施加一个垂直于地面的重力，但由于轨道本身是倾斜的，所以轨道提供给火车的支撑力并不是垂直向上的，而是垂直于倾斜面的，此时的重力与支撑力不仅不共线，连方向也不是完全相反的，所以两个力就会产生一个合力，这个合力就给火车提供了转弯所需的向心力。明白了火车转弯处的轨道为什么是倾斜的，我们再来说说火车另一个不为人知的秘密，就是它只能按照设计速度行驶，也就是说一辆火车可以开多快，在铺设铁轨时就已经决定了。

很多人可能以为，火车可以像汽车那样，想开多快就开多快，想开多慢就开多慢，这一切全部由火车司机决定，实际上并非如此，火车必须按照设计速度行驶，快也不行，慢也不行，这是为什么呢？

其实答案还是和火车转弯有关，我们知道火车转弯依靠的是倾斜的铁轨所产生的向心力，而提供向心力的这个合力的大小是多少呢？这个合力的大小就是重力乘以重力的正切分量，如果我们假设轨道的倾斜角度为A，那么这个合力的大小就是mg*tgA。如果你不明白这个算式也不要紧，因为这不是重点。重点在于，这个合力是等于向心力的，而向心力就是mv∧2/R，这里的v是火车的速度，R是转弯半径。

合力等于向心力，也就是说mg*tgA=mv∧2/R，现在重点来了，火车轨道转弯处的倾斜角度A是已经固定的，不会变化，也无法变化的，所以mg*tgA是一个定值，因此mv∧2/R也只能是一个定值，所以速度v也就只能是一个定值，因此在设计的时候，轨道转弯处的倾斜角度是多大，就决定了火车的设计速度是多少，而未来火车就只能以这个设计速度行驶。

那么如果火车不按照设计速度行驶，会怎么样呢？如果火车不按照设计速度行驶，那么合力与向心力就不一样大了，所以如果火车速度比设计速度快，火车就会向外甩，如果比设计速度慢，就会向内甩，当然，由于火车车轮有轮缘的存在，所以不会脱轨甩出去，但会给铁轨造成挤压，长此以往，铁轨就变形了，所以火车还是要按照设计速度行驶才好。

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