科普：為什么高鐵上豎著的硬幣9分鐘而不倒
2015-07-17
中國高鐵運行過程中有多平穩(wěn)，近日在網(wǎng)絡上瘋傳的一段視頻或許能夠說明問題。
一位在中國旅行的外國人，將一枚硬幣豎立在，正在京滬高鐵上以時速300公里飛馳的列車窗臺上，硬幣竟然能夠屹立9分鐘而不倒，而且在列車到達常州北站減速直至停穩(wěn)時竟然仍能立得穩(wěn)穩(wěn)當當，只是在列車要進站時，因為需要變換軌道，導致列車出現(xiàn)大范圍橫向移動，硬幣才豎立不穩(wěn)倒掉。
這位外國友人將視頻傳到YouTube上后，在海內(nèi)外引起了熱議。這位外國友人說，我最近去上海旅行，成功地在時速300公里的列車上豎起了一個硬幣?，F(xiàn)代化的高速鐵路非?？煲埠苁孢m，中國企業(yè)已經(jīng)成為高鐵的全球領導者。如果可以建造又舒適又快的高速列車，為什么要建造速度又慢又不舒服的列車呢？我們需要用現(xiàn)代化技術修建瑞典新的高速鐵路網(wǎng)。他還說，這次旅行旅行是他的公司SBRC（斯堪的納維亞橋梁鐵路集團）和CDB（中國開發(fā)銀行）安排的，同行的還包括瑞典國會交通委員會以及瑞典交通運輸管理部門的代表。
這讓很多人驚訝得合不上嘴巴！許多乘坐過日本或者歐洲高鐵的人都知道，有時候你都不能在車上穩(wěn)穩(wěn)地站立，不能在車上氣定神閑地行走，為什么中國的高鐵能夠如此平穩(wěn)，一枚立著的硬幣都能9分鐘而不倒？下面就給大家簡單地介紹一下這個問題的原因所在。
對于高鐵運行的穩(wěn)定性，我們可以從三個指標來考察。第一個指標是縱向穩(wěn)定性，包括列車起停時、加減速時、勻速運行時的平穩(wěn)性；第二個指標是橫向穩(wěn)定性，主要反應列車的左右搖擺；第三個指標是垂向穩(wěn)定性，主要是反應列車的上下顛簸。應該說作為世界上標準最高的高鐵線路與列車，CRH380系列在京滬高鐵上行駛時，在這三個指標上都已經(jīng)達到了一種極致，所以這位外國友人才能夠立一枚硬幣在高鐵上9分鐘而不倒，所以小朋友才能夠在京滬高鐵上自如地玩搭積木游戲。
我們先來看第一個指標，縱向穩(wěn)定性。中國高鐵運行穩(wěn)定到什么水平呢，如果不是因為看到窗外的參照物在后退，經(jīng)常會出現(xiàn)列車已經(jīng)走出很遠，你都沒有發(fā)現(xiàn)的地步。正如視頻中顯示的，當列車穩(wěn)穩(wěn)地停在常州北站站臺上時，那枚硬幣依舊能夠穩(wěn)穩(wěn)地立在那里（在進站前因為要變換軌道，硬幣曾倒過，我說硬幣不倒，是排除變軌這個因素，只是從時速300公里減速到0公里的過程）。
如果一定要說清楚這個問題，就涉及到兩個概念。第一個概念是加速度（減速度），反映的是速度變化的快慢；第二概念叫加加速度（減減速度），反應的是加速度（減速度）變化的快慢。前一個的單位是米/秒2，后一個單位是米/秒3。而能夠反映高速列車縱向平穩(wěn)性的指標，就是加加速度或者減減速度，當然列車勻速運行時這個值肯定比較小，能夠反映出列車縱向平穩(wěn)性水平的就是在列車起步時或者停站時。
中國高鐵運行為什么縱向平穩(wěn)性能夠這么高？原因就是中國高速列車的加加速度與減減速度都非常低？有多低？以中國中車旗下四方股份公司研制的CRH380A為例，它的加加速度和減減速度值要求必須小于0.75米/秒3。這個指標代表什么水平？在全球這個行業(yè)是頂尖的。
第二個指標是橫向穩(wěn)定性也就是左右晃動，第三個指標是垂向穩(wěn)定性，也就是上下顛簸。在這兩個指標上，中國的高鐵列車控制得也非常嚴格。還是以CRH380A型高速動車組為例，在列車以時速300公里運行時，要求客室中部的橫向最大加速度只有0.42米/秒2。
對于列車的縱向平穩(wěn)性，起決定作用的，首當其沖的是列車，但是對于列車橫向與垂向穩(wěn)定性，起決定作用的卻是高鐵線路。中國不但擁有世界上第一流的高速列車，而且還擁有世界上超一流的高鐵線路。我說超一流并不是夸張，京滬高鐵就是世界上建設標準最高的高鐵線路，沒有之一。
就保證列車平穩(wěn)運行方面而言，高鐵線路首先要平直。所謂平直就是盡量采用直線或者大半徑的圓曲線，不能有太多太急的彎道。如時速350公里的高鐵要求線路的曲線半徑一般要求不小7000米，而京滬高鐵的最小曲線半徑是9000米，在非常困難的地方最小曲線半徑也不低于7000米。而日本、歐洲的很多高鐵線路最小曲線半徑只有4000米左右。為了做到線路的平直，中國高速鐵路建設大量采用橋梁，一方面可以節(jié)約土地征用，另一方面就是能夠截彎取直。
第二要平順，所以線路坡度不能太大，如京滬高鐵最大坡度低于12‰，困難處最大坡度也不能高于20‰，所以中國的高鐵線路多采用無砟軌道以及無縫鋼軌。當然高鐵線路還要嚴格控制沉降，這也是中國高鐵建設熱衷采用橋梁的原因之一。普通的填方路基是由特定的填料（粘土、碎石土等）填筑而成的，這些填料填筑時是較為松散的，需要依靠機具壓實到一定程度。但是由于填料本身的固有性質(zhì)，即便是機具壓實后，填土也會繼續(xù)發(fā)生一定程度的固結沉降。而橋梁則不是，橋梁是建立在樁基之上的。根據(jù)地質(zhì)情況不同，樁基的深度也不一樣，一般要打到巖石層，有些深度達六七十米深。所以建立在橋梁之上的線路產(chǎn)生的沉降就很校
立一枚硬幣在中國高鐵上9分鐘而不倒，原因就在這里。
