“起重车身”设计对火车车厢有用吗？

起重机构

举升机体设计的思想是以不产生机翼的举升力的方式来塑造车身。研究表明，这是减少阻力但仍提供升力的有效方法。

通常，这对于飞机或航天器是这样的：

升降机构

可以采用类似的方法来提高火车的效率吗？

旅客列车已经看起来精简且具有空气动力学特性：

TGV

货运列车不：

货运火车

空气阻力不是火车必须克服的唯一阻力形式。他们还必须克服车轮在赛道上的阻力。这就是我认为提升车身设计节省能源的地方。举升机构设计产生的任何额外举升都会减少车轮和轨道之间的摩擦，从而节省能源。

车轮上有法兰，因此不需要牵引力即可转向。由于驱动轮仅在发动机上，因此汽车也不需要在轨道上牵引。

举升机构能否在典型的火车速度下产生足够的升力，从而产生显着的变化？

aerospace-engineering rail

— hazzey
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您仍然需要摩擦才能断裂。据我所知，推力是“集中”在机车中的，但制动能力却分布在火车上的所有轿厢中。

— 尼克·阿列克谢夫

对于足以产生明显效果的起重机构，我认为脱轨可能是一个问题。

— HDE 226868 2015年

请注意，“典型火车速度”随火车，轨道和货物的不同而有很大差异。倾斜的曲线要求大大降低速度，以防止例如将2万加仑的除草剂洒入主要水道。我认为量化这些“典型速度”是首要任务，因为它可能立即回答您的问题。

— 航空

而且，许多现代旅客列车是电动多单元的，其中驱动轮分散在整个列车中。即使有旅客列车，举起的身体通常也是一件坏事。

— cpast

您将如何塑造火车以提供电梯？前向区域很小，小翼的可用宽度很小。

— 所有行业的乔恩

Answers:

我不会说不可能做出明显的改变。但是我要说，这几乎是不可能的。

上的任何身体升力和拖曳力通常取决于体的速度（），该流体的密度（），对象的（区域）和无量纲系数（或）。无论您是在谈论正面区域还是平面区域，适用区域都可能有些模糊，但是对于火车来说，这基本上将是垂直于行进方向的平面中的区域（因为大多数火车只是在机车之后。由于湍流，系数可能随速度而变化，但通常在0到2之间。函数形式为： $v$ $\rho$ $A$ $C_L$ $C_D$

F_{L} = 1 / 2 ρ A C_{L} v^{2}

$F_L = 1/2\rho A C_L v^2$

粗略估计一列货运火车的高度和宽度分别为和（）。这使我们整个火车的举升力约为（不足以举起普通汽车）。该计算并不意味着非常精确，但是即使偏离了十分之一，与车辆的整体重量相比，升程也将是最小的。 $4\, m$ $16 \, m/s$ $57 \, kph$ $2500 N$

鉴于此，您可能会考虑添加其他空气动力学元件的优点。在这里，您需要在产生升力（以减小车轮上的向下力）和产生阻力之间进行权衡。尽管升/降比可以很高（在某些情况下约为50），但火车车轮的滚动阻力实际上却很低（）。因此，尽管举升机将减少由于摩擦引起的损失，但会由于更大的阻力而增加损失。 $C_{rr} \sim 0.00035$

因此，减少阻力是件好事，但提供升力可能不值得。实际上，以增加一些重量为代价来减少阻力可能是有益的，因为车轮非常擅长承受载荷。

注意：我查阅了Wikipedia和工程工具箱中的数据。我无法验证车轮的来源，但能够通过Gillespie的“车辆动力学基础”来确认公路轮胎的值是正确的。关于验证的任何想法都将受到欢迎。 $C_{rr}$

— 担
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很高兴看到基本的阻力方程面。尽管简单，但在各个领域中都是最有用的公式。再加上V的因数，您会由于阻力而导致总功率损耗。此处=〜40 kW（2kN x 16 m / s）。这表明，与以小型（烂火车）为主的机动车辆不同，这里的风阻对于火车来说是很小的损失因素。但要注意，减轻车轮重量（mg）的原因是您要注意每个托架要举起。许多连续相邻的货车之间的干扰使这种“非常非常困难”。....

— 罗素·麦克马洪

....查看飞机机翼的载荷表明，即使可以提供晴朗的空气，隧道的外观也会很有趣：-)。

— 罗素·麦克马洪

对于您来说，这可能是一个有趣的启示（很久以前是对我来说），或者对我来说，可能更明显。| 对于矩形横截面（为了使生活更轻松）A并训练速度V，请获取火车在一秒钟内扫过的空气量（A x V）。在可利用的时间内将涉及的质量（A x V x Rho）从0加速到V，以使其摆脱火车干扰。计算执行此操作所需的功率。很远（我认为）。可压缩性和阻力系数以及所有的幻数使这一点复杂化，但是基本结果令人满意。

— 罗素·麦克马洪

请注意，即使您的0.00035数值正确，火车也有数百个甚至数千个车轮。我认为典型的汽车有8个车轮，每列火车可以有100多辆汽车。对于货运，每辆汽车的车轮数量可能会更大。因此，减少滚动摩擦以提高巡航效率的动机仍然存在。但是我必须同意您的分析：从身体或机翼上提升力对于火车是不可行的。我可以发表自己的答案来补充这一点。

— DrZ214 '16

您不想减小车轮向下的力，因为这是紧急情况下减速的主要手段。停下来的火车已经需要一段时间了，不要再停下来了。请记住，动摩擦（车轮锁定）与车轮上的向下力成比例，并且制动器沿每辆车传播。

车轮上有法兰，因此不需要牵引力即可转向。由于驱动轮仅在发动机上，因此汽车也不需要在轨道上牵引。

它们确实需要牵引力，车轮略呈圆锥形，外侧的半径大于内侧的半径，并且都与轴连接。这样，当火车偏离中心或转弯时，外轮具有较大的有效半径，因此会将其转回到轨道的中心。

— 棘轮怪胎
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