為什么磁懸浮列車沒有車輪？

嚴伯鈞

上海浦東機場有磁懸浮列車，它的最高運行速度可以達到430千米/小時，這個速度有多快呢？北京到上海，兩個小時就到了。磁懸浮列車為什么能跑得那么快？

想要交通工具跑得快，就要減小阻力，而阻力有兩個主要來源，一個阻力來源是與空氣的碰撞和摩擦。高鐵都是“子彈頭”列車，是因為這樣能夠有效地減小空氣阻力。當空氣迎面襲來的時候，空氣與車頭表面并非垂直碰撞，因此空氣并非能100%阻礙列車的運動，跟一輛方形的列車比起來，“子彈頭”列車經受的空氣阻力就小得多。

另一個阻力源于車輪與鐵軌之間的摩擦。磁懸浮列車就是在列車和鐵軌上都通上電流，電流可以產生磁場，再利用磁場同性相斥的原理，把列車升高少許，使其與鐵軌脫離接觸，車輪與鐵軌沒有了接觸，自然也就沒有了摩擦。

但問題來了，車輪跟鐵軌接觸產生的摩擦力，同時也是列車前進的動力來源，不接觸鐵軌，車沒有地方借力，就只能懸浮在空中，并且磁懸浮列車是沒有車輪的，它要怎么前進呢？答案是通過操控電流，讓鐵軌磁場的南北極沿著鐵軌交替排列;再通過控制車身上的電流，讓列車上的磁場分布像一根磁鐵一樣，當車頭的磁極跟前方鐵軌的磁極相反時，車就會被前方鐵軌吸引向前，當車尾磁極跟后方鐵軌的磁極相同時，車就會被后方鐵軌向前排斥，前面拉、后面推，車就動起來了。

但由于鐵軌上的南北極是沿著鐵軌交替分布的，所以當車向前運行時，車頭和車尾的磁場要不斷掉轉方向，才能保證車前的鐵軌一直是吸引的，車后的鐵軌一直是排斥的，這樣才能不斷前進，這就是磁懸浮列車的原理。

消除了車輪與鐵軌的摩擦這個主要的阻力來源，磁懸浮列車就可以開得非常快。同理，飛機能達到將近1000千米/小時的飛行速度，就是因為阻礙飛機飛行的只有空氣阻力。但是磁懸浮列車的使用成本非常高，尤其是鐵軌要全程通電，并且要讓鐵軌上的磁場交替分布，所以磁懸浮列車的造價和運營、維護成本特別高，并不適合超長距離的城際甚至省際交通。

在解決了車輪與鐵軌的摩擦這樣一個主要阻力來源后，列車的速度要繼續提升，還要減小的就只剩空氣阻力了，于是，超級高鐵的概念就呼之欲出了。

我國貴州省銅仁市已經開啟超級高鐵的項目了，最終目標是要建成時速4000千米的超級高鐵。這個速度比一般的超聲速飛機快得多。超級高鐵，英文叫“Hyper Loop”，這個概念最早是由美國企業家、人稱現實版“鋼鐵俠”的埃隆·馬斯克提出來的。

超級高鐵的厲害之處，不光在于速度快，單純的速度快并不難，宇宙飛船早就能達到1萬千米以上的時速。超級高鐵難在保證速度快的前提下，還要經濟適用，因為發射宇宙飛船這種項目可以不計成本，但民用的交通工具必須讓大家用得起。

速度快的交通工具，最大的成本是能耗，傳統高鐵的能耗主要來自克服運動遇到的阻力。超級高鐵采用的是磁懸浮的方案，通過強磁場讓列車懸浮在軌道上兩厘米的地方，這樣列車就跟地面沒有了摩擦。解決了地面摩擦問題以后，還剩空氣阻力。空氣阻力的影響其實非常大，因為當列車運行起來以后，空氣阻力的大小跟列車運行速度是平方關系，也就是當列車的速度變成原來的兩倍時，它受到的空氣阻力就會是原來的四倍，所以速度越快，阻力就越大，提速也就越難。這就是為什么我國高鐵列車從300千米的時速，提升到現在“復興號”列車350千米的時速用了很長時間。別看速度提升的比例不大，空氣阻力其實變大了不少，相應的能耗也會更大，技術上就需要更多的時間去研發如何讓空氣阻力減小的方案。

為了解決空氣阻力的問題，超級高鐵是在密閉管道中運行的，把管道中的空氣抽走，這樣超級高鐵在幾乎沒有空氣阻力的情況下運行，時速達到4000千米也就不難了。

其實超級高鐵有過別的方案。因為抽真空非常費事，同時還要保證管道里面不漏氣，操作起來難上加難，并且成本會很高。如果不抽真空，列車動的時候就讓管子里吹一陣大風，讓風速和車速保持一致，這樣的話車跟空氣沒有相對運動，也就沒有了空氣阻力。但這個方案在列車調度上存在大問題，因為管道里不可能只有一輛列車，所有列車不可能同開同停。如果有開有停的話，空氣會經歷局部壓縮，它不會跟所有列車都沒有相對運動，也就無法達到最初的目的。從實際操作來講，管子里面刮陣大風的方案聽著不錯，但是很不實用，因此現在超級高鐵所采用的都是抽真空管道的方案。

現在全世界大概只有兩三個地方在做超級高鐵的項目，除了我國貴州，還有美國內華達州。也許在十年內我們就能坐上超級高鐵，可能屆時飛機的使用率會大大降低。

（余娟摘自《了不起的物理》，有刪改）