火车和高铁是如何转弯又避免脱轨的？ _高铁

火车在铁路上飞驰，铁路尽量做得笔直，但它总有转弯的地方。你有没有想过火车在转弯的时候是怎么留在铁轨上，而不会脱轨的呢？
【火车和高铁是如何转弯又避免脱轨的？】你可能会说，这有什么问题，火车车轮的边缘有一圈突起，火车就是靠它卡着才不会出轨的。事实果真如此吗？我们今天就来说一说车轮的秘密。
火车的车轮我们都知道，汽车是有方向盘的。当我们需要转弯时，向相应的方向转动方向盘，车的前轮就会在传动机构的带动下往这个方向偏转。这个时候处于外侧的车轮运动的距离比内侧大，汽车就可以稳定地转弯了。

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汽车转弯时各个车轮的状态
汽车的前轮在运动时可以不在同一个轴线上旋转，这通常是汽车可以转弯的前提。但火车的车轮却不是这样，它的每一对钢质车轮都被紧紧地固定在同一个轴上，在任何时候，这一对相同大小的车轮转动的角速度完全相同，并且火车没有方向盘，它意味着车轮只能沿着直线方向朝前走。那么火车是怎么做到转弯的呢？

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一列正在转弯的火车
原来，火车的车轮表面并不是圆柱形，它实际上是一个圆锥面，内侧大一些，外侧小一点。而铁轨的安装也并不是水平的，它会向内侧倾斜一个比较小的角度，以使压力通过其中心向下传递到下方的枕木上。

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车轮是一个斜的锥面
为什么要这样做？你可能会好奇，为什么要这样做呢？难道把车轮做平、铁轨放平，重力垂直向下不好吗？其实早期的火车车轮就是平的，铁轨也是平放。但由于车轮与轨道之间不能卡死，在平路上行驶时它不但会左右飘，导致车轮内边缘撞击铁轨，当列车转弯时，大部分的离心力会施加到车轮内缘与铁轨侧面，导致车轮与铁轨的严重磨损。更加严重的是，它很容易脱轨。
而将车轮做成锥面时，情况便大不相同。

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锥面车轮向右转弯时的情形
从上图我们可以看出，当车辆向右转弯时，离心运动的力会将列车向左侧推，这使得左边车轮的内侧更靠近铁轨，而右边车轮的外侧会与铁轨接触。车轮是椎体，它的外侧半径小于内侧半径，这意味着在转动同样角度的情况下（两侧车轮是固定在一起的），左侧车轮行驶的距离比右侧车轮更长。我们知道铁路弯道外侧的铁轨总是长于其内侧铁轨，只要两边车轮行驶的距离与铁轨的长度相对应，列车就不会发生漂移，转弯便是顺其自然的结果。

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锥形车轮使转弯变得自然
当火车在平直的道路上行驶时，锥形的车轮会最大限度地保证车辆处于动态平衡的状态。因为当车轮向一侧偏移时，由于其两侧车轮与铁轨间接触半径发生变化，它会自然向另一侧做调整运动以寻找平衡，从而保证了车轮内边缘不会与铁轨擦碰。

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车轮在轨道上行驶时的动态平衡

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俯视角度的动态平衡
火车是如何转弯的？尽管火车的车轮是两两固定在一起转动，但如果将所有的车轮都固定安装到车身上，列车也是无法转弯的。这时候我们需要利用转向架。

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转向架在转弯时的作用
如果没有转向架会发生什么后果？我们看下面这张图就可以知道：

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没有转向架很容易脱轨
列车的转向架通常安装在车厢前后两端附近，每个转向架装配两对轮轴，以保证每个车轮都与铁轨有紧密接触。

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列车底部的转向架
防止脱轨的其它措施有了锥体的车轮，有了转向架就可以保证列车不脱轨了吗？并非如此。列车在轨道上的安全行驶受到很多因素限制。
通过前文的介绍，我们不难发现，即便将列车的车轮做成了锥体，由于它内外缘的半径相差不大，因此列车的转弯半径也会受到限制。同时，火车能否安全地通过弯道还取决于列车自身的载重和它运行的速度。如果铁路的转弯半径过小、车速过快，都将导致列车脱轨的事故。