Question

一段鐵道彎軌，內(nèi)、外軌道高度差為h=10cm，彎道半徑為900cm，軌道平面寬L=144cm，求這段彎道的設(shè)計速度，并討論當火車速度大于或小于這一速度時會發(fā)生什么現(xiàn)象？（g取10m/s²)

Answer 1

??v=25m/s

??當火車以設(shè)計速度運動時，火車受重力與軌道支持力作用，受力示意圖如圖所示，選x方向沿半徑指向圓心，y方向為豎直向上，在y方向上，根據(jù)平衡條件有

??F_Ncosθ=mg?在x方向上，根據(jù)牛頓第二定律有F_Nsinθ=，由以上兩式可得：mgtanθ=.?又因θ角很小，故tanθ≈sinθ≈.?所以mg=,解得v=="25" m/s. 當火車速度大于設(shè)計速度時，所需的向心力增大，而重力恒定，則鐵道對火車的作用力增大，故軌道對火車的作用力F不再與軌道平面垂直.根據(jù)牛頓第三定律，平行于軌道平面的分力F₂的反作用力作用在鐵軌上，如果F₂過大，將導(dǎo)致鐵軌向外側(cè)移動，損壞鐵軌，造成火車出軌事故.當火車速度小于設(shè)計速度時，也可能造成火車出軌事故（請同學(xué)自己分析受力情況）.可見火車在彎道上行駛時，應(yīng)按限速標志牌上的速度行駛，以免發(fā)生事故.