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不可思議,資深工程師運(yùn)用物理知識(shí)戳穿高鐵專家的謬論

作者: 時(shí)間:2013-01-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

不可思議,資深工程師運(yùn)用物理知識(shí)戳穿高鐵專家的謬論

  2011年2月,原鐵道部部長劉志軍因涉嫌嚴(yán)重違紀(jì)被免職(新聞)。隨后,有關(guān)方面和媒體出現(xiàn)了一些關(guān)于安全性和能耗的反思,與原計(jì)劃比較,的建設(shè)和運(yùn)營都受到了一定的影響,而已經(jīng)穩(wěn)定安全地運(yùn)行了很長時(shí)間的武廣、滬杭、滬寧等也要大幅降速運(yùn)行。近日,有一條原載于《北京日?qǐng)?bào)》的關(guān)于高鐵將降速運(yùn)行的新聞被包括中新網(wǎng)、新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、新浪、網(wǎng)易、騰訊在內(nèi)的諸多媒體轉(zhuǎn)載,里面引述 “一位不愿具名的交通專家”的話,說“當(dāng)列車時(shí)速超過320公里后,速度每提升10公里,列車的能量消耗都會(huì)成倍提升,因此高鐵運(yùn)營不能一味追求速度,而要選擇最切合實(shí)際需求、最經(jīng)濟(jì)可行的運(yùn)行模式?!边@話聽起來太不可思議了!高鐵的能耗,有這么厲害嗎?

  按照這位“不愿具名的交通專家”的話,如果理解為速度每提升10公里(每小時(shí))能耗翻倍的話,那么高鐵試車達(dá)到的最高紀(jì)錄487.3公里每小時(shí)(新聞),能耗應(yīng)該是速度為320公里每小時(shí)的十萬多倍,是速度為350公里每小時(shí)的一萬三千多倍,顯然這個(gè)數(shù)字過于離譜了一點(diǎn),怎么也不可能這么高。如果按這個(gè)數(shù)字來計(jì)算的話,320公里每小時(shí)的能耗要比設(shè)計(jì)最高速度為300公里每小時(shí)的CRH2A型動(dòng)車組的功率(4800千瓦)要高,那么,在京滬高速鐵路上試運(yùn)行在487.3公里每小時(shí)的CRH380BL動(dòng)車組,其功率至少應(yīng)該為4.8億千瓦。這相當(dāng)于三峽總裝機(jī)容量(2250萬千瓦)的二十多倍,并且在列車經(jīng)過的時(shí)候空氣會(huì)被加熱到高于十八萬攝氏度,放出遠(yuǎn)比太陽還強(qiáng)烈的光芒。實(shí)際上, CRH380BL動(dòng)車組的牽引功率為18400千瓦,僅為CRH2A功率的不到四倍[1]。新聞里面這一條關(guān)于能耗的說法,錯(cuò)的很離譜。

不可思議,資深工程師運(yùn)用物理知識(shí)戳穿高鐵專家的謬論

  可能有人會(huì)反駁說,這句話不應(yīng)該這么理解,而是應(yīng)該解讀為:在320公里每小時(shí)能耗的基礎(chǔ)上每提高10公里每小時(shí),能耗增加一倍(是線性增加而不是指數(shù)倍增)。那么即使按照這樣理解,時(shí)速487.3公里的能耗是時(shí)速320公里的16倍多一些,這這數(shù)字跟實(shí)際的功率數(shù)值比較,還是不正確的。

  我們知道,運(yùn)動(dòng)的物體如果質(zhì)量為m,速度為v的話,那么動(dòng)能E=mv2/2,只要運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速,這個(gè)公式就是正確的。而根據(jù)牛頓第一定律(慣性定律),一旦列車加速起來,不受外力或者外力的合力為零的話,速度是不會(huì)變的。實(shí)際運(yùn)行中,列車消耗的能量都是用在克服外在的摩擦力等阻力,保持列車的速度上。因此,如果知道高鐵運(yùn)行過程中的阻力F和速度v,那么單位時(shí)間里的能耗就可以根據(jù)P=Fv的功率公式計(jì)算得出,能耗正比于列車運(yùn)行中受到的的阻力和速度的乘積。

  對(duì)于水平運(yùn)行的列車來說,阻力有兩種,一種是車輪和鐵軌之間的摩擦力,一種是空氣對(duì)于列車的阻力。車輪和鐵軌之間的摩擦力和列車運(yùn)動(dòng)的速度基本沒有關(guān)系(摩擦力等于摩擦系數(shù)乘以壓力,在這里,壓力基本等于火車的重量)。隨著速度的提高,空氣對(duì)火車在豎直方向上的壓力,以及輪軌之間的接觸狀態(tài)都有可能發(fā)生一定的變化,但是這些變化相對(duì)可以忽略。

  空氣對(duì)列車的阻力仔細(xì)說起來,包括列車正面排開空氣所產(chǎn)生的阻力,也包括運(yùn)動(dòng)的列車側(cè)面和空氣之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦。運(yùn)動(dòng)列車受到的這些空氣阻力合在一起可以用流體力學(xué)的方程表示,阻力的大小正比于速度的平方[2,3]。這樣,在列車速度比較低的時(shí)候,輪軌之間的摩擦力是阻力的主要來源;隨著列車運(yùn)行速度的增加,輪軌摩擦力基本不變,而空氣阻力會(huì)相對(duì)快速增加,在某一個(gè)速度附近(大約時(shí)速100公里每小時(shí)),兩者的大小接近;對(duì)于以更高速度運(yùn)行的高速列車來說,空氣阻力要比輪軌的摩擦力大得多[4],是阻力的主要來源。我們?cè)诖致缘乜紤]高速列車能耗的時(shí)候,可以用空氣阻力的數(shù)值來估計(jì),因此,根據(jù)功率的計(jì)算公式我們很容易得出,單位時(shí)間高速列車的能耗和速度的三次方成正比,速度增加一倍的話,單位時(shí)間里的能耗才會(huì)變成原來的八倍。我們也可以估計(jì)動(dòng)車組需要的牽引功率,簡單的計(jì)算告訴我們,這樣估計(jì)得到的功率和動(dòng)車組的實(shí)際牽引功率的數(shù)量級(jí)是一致的[5]。

  另外,實(shí)際上我們不應(yīng)該比較單位時(shí)間的能耗,同樣路程里面,速度越快,耗費(fèi)的時(shí)間越短,因此,我們應(yīng)該比較單位距離里面的能量消耗(相當(dāng)于比較總路程里的能耗)。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的列車,其能耗主要用于克服空氣的阻力,單位距離里面耗費(fèi)的能量應(yīng)該正比于速度的平方而不是三次方,因此,速度加倍,能耗變成原來的四倍。因此,同樣是從武漢到廣州,相比320公里每小時(shí)的速度,以330公里每小時(shí)的速度運(yùn)行會(huì)讓能耗增加約6.3%,而以487.3公里每小時(shí)的速度運(yùn)行,能耗會(huì)增加約130%,無論怎么說,離“速度每提升10公里”,能耗“成倍提升”都差的挺遠(yuǎn)的。

不可思議,資深工程師運(yùn)用物理知識(shí)戳穿高鐵專家的謬論

  可以看到,前面我們提到的新聞里面說的“當(dāng)列車時(shí)速超過320公里后,速度每提升10公里,列車的能量消耗都會(huì)成倍提升”是完全沒有根據(jù)的說法。很難想象一位真正的“交通專家”(如果真的存在這么一位專家的話)會(huì)給出錯(cuò)的這樣離譜的信息,而這樣的新聞報(bào)道在諸多媒體里面流轉(zhuǎn)而不被發(fā)現(xiàn),是記者、編輯和媒體行業(yè)的悲哀。對(duì)高鐵建設(shè)和運(yùn)營的反思,應(yīng)該基于對(duì)包括成本投入(包括能量消耗的經(jīng)濟(jì)或非經(jīng)濟(jì)成本)、安全性、國家戰(zhàn)略、乘客對(duì)價(jià)格承受能力和對(duì)高速交通的需求、國際市場(chǎng)的技術(shù)壟斷成本和收益等諸多因素的綜合考慮上,依靠真實(shí)可信的數(shù)據(jù)和邏輯支持做出可行的判斷,而不應(yīng)該是這種沒有任何根據(jù)的虛假信息。

  感謝Albert_JIAO 、Ent、游識(shí)猷和幸福的白龍馬對(duì)本文的幫助。

  參考資料:

  1. 維基百科:和諧號(hào)CRH3型電力動(dòng)車組,和諧號(hào)CRH380B型電力動(dòng)車組,和諧號(hào)CRH2型電力動(dòng)車組

  2. 空氣對(duì)運(yùn)動(dòng)列車產(chǎn)生的阻力可以用流體力學(xué)的方程表示[3],如果空氣的密度是ρ,列車的截面積是A,速度為v,那么空氣阻力就是F=CD ρAv2/2,里面的CD是一個(gè)系數(shù),對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的磁懸浮列車來說,這個(gè)數(shù)值約為0.26。

  3. 維基百科: Drag equation

  4. 中國報(bào)道,《從空氣阻力的角度看高速鐵路》

  5. 按照[2]里面的公式和系數(shù)值CD=0.26,對(duì)于能跑出487.3公里每小時(shí)最高速度的CRH380BL動(dòng)車組其牽引功率我們可以估計(jì)為至少6400千瓦,和實(shí)際的18400千瓦的數(shù)量級(jí)一致。



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