高鐵時速每提升10公里，能耗加倍？

高鐵時速每提升10公里，能耗加倍？

近日，有一條原載于《北京日報》的關于高鐵將降速運行的新聞被包括中新網、新華網、人民網、新浪、網易、騰訊在內的諸多媒體轉載，里面引述“一位不愿具名的交通專家”的話，說“當列車時速超過320公里后，速度每提升10公里，列車的能量消耗都會成倍提升，因此高鐵運營不能一味追求速度，而要選擇最切合實際需求、最經濟可行的運行模式。”這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）能耗翻倍的話，那么高鐵試車達到的最高紀錄487.3公里每小時，能耗應該是速度為320公里每小時的十萬多倍，是速度為350公里每小時的一萬三千多倍，顯然這個數字過于離譜了一點，怎么也不可能這么高。如果按這個數字來計算的話，320公里每小時的能耗要比設計最高速度為300公里每小時的CRH2A型動車組的功率（4800千瓦）要高，那么，在京滬高速鐵路上試運行在487.3公里每小時的CRH-380BL動車組，其功率至少應該為4.8億千瓦。這相當于三峽總裝機容量（2250萬千瓦）的二十多倍，并且在列車經過的時候空氣會被加熱到高于十八萬攝氏度，放出遠比太陽還強烈的光芒。實際上，CRH-380BL動車組的牽引功率為18400千瓦，僅為CRH2A功率的不到四倍。新聞里面這一條關于能耗的說法，錯的很離譜。

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

我們知道，運動的物體如果質量為m，速度為v的話，那么動能E=mv2/2，只要運動的速度遠遠小于光速，這個公式就是正確的。而根據牛頓第一定律（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，速度是不會變的。實際運行中，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，如果知道高鐵運行過程中的阻力F和速度v，那么單位時間里的能耗就可以根據P=Fv的功率公式計算得出，能耗正比于列車運行中受到的的阻力和速度的乘積。

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

空氣對列車的阻力仔細說起來，包括列車正面排開空氣所產生的阻力，也包括運動的列車側面和空氣之間相對運動的摩擦。運動列車受到的這些空氣阻力合在一起可以用流體力學的方程表示，阻力的大小正比于速度的平方。這樣，在列車速度比較低的時候，輪軌之間的摩擦力是阻力的主要來源；隨著列車運行速度的增加，輪軌摩擦力基本不變，而空氣阻力會相對快速增加，在某一個速度附近（大約時速100公里每小時），兩者的大小接近；對于以更高速度運行的高速列車來說，空氣阻力要比輪軌的摩擦力大得多，是阻力的主要來源。我們在粗略地考慮高速列車能耗的時候，可以用空氣阻力的數值來估計，因此，根據功率的計算公式我們很容易得出，單位時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，單位時間里的能耗才會變成原來的八倍。我們也可以估計動車組需要的牽引功率，簡單的計算告訴我們，這樣估計得到的功率和動車組的實際牽引功率的數量級是一致的。

另外，實際上我們不應該比較單位時間的能耗，同樣路程里面，速度越快，耗費的時間越短，因此，我們應該比較單位距離里面的能量消耗（相當于比較總路程里的能耗）。對于高速運動的列車，其能耗主要用于克服空氣的阻力，單位距離里面耗費的能量應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公里每小時的速度，以330公里每小時的速度運行會讓能耗增加約6.3%，而以487.3公里每小時的速度運行，能耗會增加約130%，無論怎么說，離“速度每提升10公里”，能耗“成倍提升”都差的挺遠的。

可以看到，前面我們提到的新聞里面說的“當列車時速超過320公里后，速度每提升10公里，列車的能量消耗都會成倍提升”是完全沒有根據的說法。我們對于高鐵建設和運營的反思，應該基于對包括成本投入（包括能量消耗的經濟或非經濟成本）、安全性、國家戰略、乘客對價格承受能力和對高速交通的需求、國際市場的技術壟斷成本和收益等諸多因素的綜合考慮上，依靠真實可信的數據和邏輯支持做出可行的判斷，而不應該是這種沒有任何根據的虛假信息。

本文來源于《科學松鼠會》