傾斜式列車原理:為什麼普悠瑪過彎時可以維持相對高速?

傾斜式列車原理:為什麼普悠瑪過彎時可以維持相對高速?
Rsa - 自己的作品, CC BY-SA 3.0, 連結
我們想讓你知道的是

普悠瑪列車採用了這種可調整內部氣壓的空氣彈簧,透過控制系統,動態調整左右兩側空氣彈簧內部的氣體壓力。當車輛向左轉時,右側空氣彈簧的氣體壓力會大於左側,於是車體向左傾擺。使列車在高速過彎時,車廂能產生比鐵道更為傾斜的角度。

文:跟著鄭大師玩科學

自由時報於2017年8月1日,發布了一則新聞〈台鐵不再買傾斜式列車 原因很現實〉。

中學物理上到圓周運動時,會以高速公路轉彎處外高內低而向內側傾斜的例子,來說明「正向力與重力的合力」當作轉彎所需的向心力。

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至於在十字路口轉彎時,由於路面不傾斜,向心力則是由輪胎與路面的側向摩擦力來提供。若高速過彎時聽到輪胎打滑聲,就表示已經發生側滑(請思考下圖輪胎變形的機制)。

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火車在過彎道時,如果轉彎處的鐵道未設計成外高內低,那麼向心力就必須藉由轉彎處的「外軌對輪緣施加的側向推力」來提供。由於該力是由輪緣和外軌的擠壓所產生,基於火車很重,鐵軌雖耐重壓,但卻不耐側向的輪緣和外軌間之交互作用;若側向力太大,就容易發生道釘與扣件脫落,從而造成脫軌意外。

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由於鐵道在轉彎處也會如同高速公路設計成向內側傾斜,但一般的列車因為並無傾斜車廂之設計,所以在過彎道時車速就必須限制在某個特定值。

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也就是說,在台鐵的窄軌系統(軌距1067mm)與標準轉彎曲率半徑(R=600m)狀況下,不管普通車、平快車、復興號或莒光號的一般列車,來到這個轉彎處,都要用特定速率來過彎。這樣車體才不會對外軌施加額外的側向力,而且乘客也才不會因離心效應而感到頭暈。

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至於彎道之前所設立的二種不同數字之限速標,白底黑字為一般列車的限速標,上方的橘圈黑字則為「傾斜式電車」之限速標(註:傾斜式電車在限速75km/hr以上之彎道,可以增加25km/hr來通過)

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那麼這個多出來的25km/hr,難道就不會對外軌施加側向力嗎?

先來看一則影片:

這是藉由車輪設計成內側與外側的半徑不同(如:雙錐體),如此在過彎時就會自動讓車體向轉彎的內側傾斜。在軌道不傾斜的情況下(外軌與內軌在同一水平高度),這時的重力可分解為垂直於車廂地板的分力,與平行於路面方向的2個分力(圖片中紅色分力)。後者即可當作向心力使用。

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由於這個平行於路面方向的力量仍須由外軌來提供,車廂內乘客感受到的則是上圖垂直於地板的等效重力,所以不會察覺到有被甩出圓心的離心效應,這樣在高速過彎時就不容易產生暈眩感。

不過這個雙錐體模型,只是用來解釋轉彎時的車廂會產生被動式傾斜,實際上的傾斜式列車仍是使用一般具有輪緣的車輪。台鐵的傾斜式列車普悠瑪號是TEMU2000型,在平地上的極速為150km/hr。為了提升車內乘坐舒適度,採用新幹線N700系電聯車的「空氣彈簧簡易型車體傾斜裝置」

這種空氣彈簧裝置就如同低底盤公車在停靠站牌時,會將右側降低以利乘客上下車一樣。模型示範請參考下列影片:

普悠瑪列車採用了這種可調整內部氣壓的空氣彈簧,透過控制系統,動態調整左右兩側空氣彈簧內部的氣體壓力。當車輛向左轉時,右側空氣彈簧的氣體壓力會大於左側,於是車體向左傾擺。使列車在高速過彎時,車廂能產生比鐵道更為傾斜的角度,讓重力得以分解出較大的「垂直於地板之分力」與較大的「平行於路面方向的分力」,藉此提供足夠的向心力來增加列車過彎時的速率。

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  • 法國運輸集團阿爾斯通(Alstom)的高速列車:
  • Tilting Train就是擺式列車(或稱傾斜式列車)的英文名稱:
  • 潘多利諾(義大利語:Pendolino)是一系列採用主動傾斜式技術的電聯車品牌名稱:

延伸閱讀:

本文經跟著鄭大師玩科學授權轉載,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航