火车转弯时的内外轨受力？

火车转弯时的内外轨受力~

首先，火车转弯时需要向心力，就是一个能让他改变运动方向的力，而且火车转弯时，轨道是斜的，根据牛顿定律，F=ma=mv²÷r，所以可以知道速度越大需要的向心力越大，所以火车转弯时，如果重力的分力（就是指向圆心那个力）提供的向心力不足或者过大，那就要用一个力与重力的分力来共同提供向心力，而速度快时，重力分力小于所需要的向心力，所以外轨可以提供一个向圆心的支持力，速度小时，重力分力大于时则需要内轨提供一个力，使火车不至于掉下去
总之这是比较简单的问题了，高中一年级的物理书里关于这个有介绍的，看完整个圆周运动的问题，应该会比较了解的，而且书里有图的

转弯需要向心力，向心力由铁轨提供一部分，（另一部分由重力分量提供，这一部分不会随速度改变，所以不考虑），而铁轨在列车下方，所以这个力的力矩会导致列车向外侧翻。
因此，外轨在列车有外翻倾向的时候受压而产生了额外的压力，而内轨减少了压力，这种一增一减都是有利于反向力矩来抵抗前者。如果要问为啥一定是一增一减？因为它们之和的垂直分量必须和重力相等。
以上是原理，据此原理，如果速度大，那么需要的向心力大，所以……

第一句话（一定要理解）：“向心力是合力。”

如果这句话不理解的话，说什么都没有用。

第二句话（一定要记住）：“是力决定了速度，而不是速度决定了力。”

物体之所以能做匀速圆周运动，是因为向心力刚好“支持”物体完成匀速圆周运动。

如果力大了，物体会靠近圆心；如果力小了，物体会远离圆心。（这句话，看起来，大家都知道）

考试中的问题，往往是已知速度，需要求力（比如说，恰好通过圆环的最高点，也就是说，通过最高点的时候，速度为零）；这样的题做多了，就会给人一种是速度决定力的假象。

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回答你的问题：

下图中，Fn 是理想状态下的火车受力，Fn是支撑力和重力的合力。

合力刚好“支持”火车做匀速圆周运动。所以，此时轮子和轨道刚好没有摩擦趋势！没有摩擦力。

上图你一定很熟悉了。

摩擦力是一件不靠谱的事情（下雪天开汽车就容易侧滑），所以火车轮子有一个沿，卡在铁轨上。

这张图是关键了，外轨和轮子

好，这时候可以想一下，（铁轨的倾斜角度是固定的，所以支撑力是固定的），如果火车速度比较快，需要较大的向心合力（支撑力的水平分力已经不够了）。

这时就需要（除了支撑力的水平分支之外的）一个力来加把劲，使火车的向心力能大一些，和当前的速度相匹配。

这个力应该由谁来提供呢？当然是外侧的铁轨通过轮子的“沿”来提供了。

考试题目大概率会这样出：已知火车速度、火车重量、铁轨的倾角，求铁轨和轮子之间横向的支持力。

解：速度求得向心力，减去重力分量，得出铁轨对火车的支撑力（此时有可能不和接触面垂直了，想不明白可以追问，解释多了就跑偏了）。

是不是又给人一种，速度决定力的假象？（假设速度持续增大，铁轨顶不住了，火车是不是就翻了？）实际上，是铁轨给轮子的力，使得火车能做圆周运动。（不一定是匀速了，想不明白可以追问）。

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第二问，内轨受力。

当火车静止在倾斜的轨道上，不需要向心力了。火车为啥没有滑下铁轨呢？内侧的铁轨给轮子了一个向外的力。

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这两个想清了，后面的问题就解了。

顺便说下，之所以要铁轨转弯要倾斜，是想尽量的让铁轨的基面提供向心力，而不是铁轨和轮子之间的那个沿。

我猜，铁路设计师就是根据某段铁路的“转弯曲率”和该路段的“火车额定行驶速度”，来设及的铁轨的倾角吧。

想了解火车车轮的受力得先了解火车车轮的构造：

首先我们知道，一个物体必须得有个向心力它才能做圆周运动，且向心力方向是指向圆心的。向心力是外力，并不是物体自身的力，而火车转弯则可以看作是做了一段圆周运动。

由上面的图片可以看出是火车是靠车轮突出的轮缘来保持转弯时车轮能一直在铁轨上运行。也就是说火车转弯时就是由车轮轮缘来提供水平垂直于铁轨的力，来提供转弯所需的向心力。

轮缘所受到的水平垂直于铁轨的力的方向如图所示：

受力分析后这样我们就可以知道，当火车转弯的时候只有一个力能提供向心力，那就是外侧车轮轮缘水平挤压外侧铁轨所得到的反作用力，而且与速度并无关，只要转弯就会有这个力。而内侧并没有这样的力，因为火车转弯时内侧车轮轮缘根本没有水平挤压内侧铁轨，也就没有反作用力。

而支持力内外轨都有，通常通过提高外轨的高度来分解一部分外轨的支持力来提供向心力。

这些在高中物理课本的曲线运动中有所提及，里面有更详细的受力分析。

传送门：普通高中课程标准实验教科书 物理必修2

图片均来自网络，侵删。

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长子县18532157858： 火车转弯时的内外轨受力 - ？
威英皮敏： 转弯需要向心力,向心力由铁轨提供一部分,(另一部分由重力分量提供,这一部分不会随速度改变,所以不考虑),而铁轨在列车下方,所以这个力的力矩会导致列车向外侧翻. 因此,外轨在列车有外翻倾向的时候受压而产生了额外的压力,而内轨减少了压力,这种一增一减都是有利于反向力矩来抵抗前者.如果要问为啥一定是一增一减?因为它们之和的垂直分量必须和重力相等. 以上是原理,据此原理,如果速度大,那么需要的向心力大,所以……

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威英皮敏： 火车转弯是会有一种运动叫离心运动 顾名思义 就是偏离圆心的运动 速度越大 这个偏离程度越大 在物理书上讲圆周运动的时候会提到 所以它偏离圆心的时候自然会去挤压外轨 车速小就做向心运动了 原因和上面触类旁通 外轨高于内轨是让地面的支持力提供一部分向心力 不需要在转弯时消耗过大能量 自己画个受力分析图 便可迎刃而解了

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长子县18532157858： 外轨比内轨略高,这样可以减轻车轮轮缘与外轨的挤压,从而使列车顺利转弯? - ？
威英皮敏：[答案] 火车转弯时需要向心力mv^2/r 若内外轨一样高,外轨对车轮的支持力提供向心力. 外轨比内轨略高使得内外轨有一倾角θ.mgtanθ=mv^2/r从而可以减轻车轮轮缘与外轨的挤压,从而使列车顺利转弯.

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威英皮敏： 列车在转弯时由于离心力的作用,车轮会挤压外轨,而挤压内轨的情况,一般是列车在通过曲线时的牵引力小于列车的离心力,也就是说当列车的速度很慢时,因为弯道上的外轨要高于内轨,这样就产生了车轮挤压内轨的现象.

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威英皮敏： 火车在水平轨道上转弯时,做圆周运动,需要有力提供指向圆心的向心力,即方向指向内侧,此时外轨对火车的压力提供向心力,根据牛顿第三定律可知,火车对外轨产生向外的压力作用,此说法正确 故答案为:√

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威英皮敏： 你好,外轨受力较小,内轨受力大.因为火车的轮对是内侧的直径比较大,外缘直径比较小.

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