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火車頭要撒砂?摩擦力與阿里山森林小火車

寒假我帶三小孩搭乘阿里山小火車,我們的旅程在另一篇。這個行程對我很刺激,出發前幾天才決定,分二天才湊到四張旅客的退票剩票

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2017-02-06 18:48:57 最後編修
2016-12-05 09:35:16 By zfang
 

寒假我帶三小孩搭乘阿里山小火車,我們的旅程在另一篇。這個行程對我很刺激,出發前幾天才決定,分二天才湊到四張旅客的退票剩票,座位還分在三節車廂呢!只是,這個媽不想先寫親子遊記,居然還是用"科學眼"看事物... 

 


我們搭的火車屬於郵輪式列車套裝行程,沿途停靠幾個站,這一站是在竹崎車站。(終點在奮起湖。)


在奮起湖的車庫中,看到了以前小火車車頭,吸引我注意的是車頭前方的二個砂箱(儲砂筒)。

和上方的現代火車頭相比,老火車頭的砂箱明顯掛二側。現代的動力火車頭也需要砂箱嗎?看起來似乎不用。(還是躲在車底某處?)


左右各一個儲砂箱,通常是裝在動力輪前方。

  
裡頭真的有沙耶,不是普通隨便的砂,它非常潔白細緻。


解說員說那是白色的「ㄒㄧˋ」 砂。( 矽砂?還是細沙?)


儲砂箱下有一根順勢彎曲的鐵管(撒砂管)對準軌道,沙子就是從這裡漏出來灑到軌道上。

 
砂箱是做什麼用的?簡單地來說是止滑。
專業一點的說法是增加鐵軌與車輪間的摩擦係數。


雖然火車的鋼輪和鋼軌接觸面之間很光滑,不同於一般車輛的輪胎與地面摩擦力大(抓地力好),但火車的重量很重,正向力大,與鐵軌間的摩擦力也大,所以行走不成問題。但是當雨天或者坡度較大的時候,就會向軌道上灑砂,來提高摩擦係數,增大摩擦力。

影響摩擦力的因素 :

  1. 作用於接觸面的力: 接觸面的力愈大,摩擦力愈大,接觸面的力愈小,摩擦力愈小 。
  2. 接觸面的性質: 接觸面粗糙則摩擦力大,接觸面光滑則摩擦力小。

止滑(增加摩擦力)的目的何在?很多人都以為是為了幫助剎車,包含我也是。做了功課才知道,其實也與前進爬坡有關,若是接觸面太光滑,摩擦力不足,就會"打滑",造成輪子空轉無法前進。找到影響車輪滾動、停止的幾種因素:牽引力、黏著力、韌力

  • 黏著力>牽引力=空轉。這句話錯了,經鐵肝人提醒後更正:「 牽引力>黏著力,才會空轉。」
  • 韌力>黏著力=滑走

這幾個力對我有些陌生,平時俗稱的抓地力是哪一個?另一個解釋比較容易懂:如果車輛的輪子粘著力小,則容易打滑,從滾動變滑動,要知道滑動摩擦力大於滾動摩擦力,這反而不利於牽引。如果車輛的輪子粘著力小,刹車的時候也容易打滑。想知道更深的力學,請見延伸閱讀:https://www.zhihu.com/question/24256663

火車會適時在軌道上倒砂以增加車輪與軌道的摩擦力,提高軌道車輛輪軌之間的摩擦係數。不只幫助煞車,也幫助起步。特別是蒸汽火車頭機動力小,起步扭矩小,不容易起步,所以要在機車輪子下方撒砂。阿里山小火車屬於森林鐵路,有一定的坡度,因此與軌道面之間的摩擦力格外重要。

有些砂是自動控制,根據感測器資料(坡度、轉速等參數)綜合情況自動控制撒沙閥門撒沙。較舊的是人工控制撒沙,由司機(駕駛員)判斷,遇到坡道、雨天鋼軌與火車機車的輪子打滑走不動時,駕駛員通過控制開關向鋼軌上撒一定量的白色細砂,增加輪子與鋼軌的摩擦係數,就可以大力減少機車輪對在雨、雪天爬坡時因粘著力下降容易出現的‘空轉’和制動時產生的滑行,使火車行走自如。正常情況下是不需要撒砂。

找到一篇文章《整備場上的“上砂工”》,介紹負責填充砂的上砂工故事,也提到砂箱對列車行駛的安全問題。http://news.tielu.cn/yixian/2013-03-01/2223.html

 

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訪客留言

鐵肝人
黏著力>牽引力=空轉。這句話錯了 牽引力 大於 黏著力 才會空轉 @2017-02-06 15:06:25

zfangの科學小玩意
謝謝您的提醒~空轉是由於黏著力小於牽引力,而無法加速。立馬修正!
2017-02-06 18:46:16

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