【电磁学初级】世界上最快的地面交通工具有多快

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精华笔记

昨天我们讲了电动车的前景，尽管可能我还是会先买一辆汽油车，但电动车一定是未来。今天我们再来讲一个用电驱动的更快的交通工具，那就是磁悬浮列车。当然，我国现在的高铁系统，其实也是用电的，高铁的铁轨上都有两条平行的电线，那么关于高铁的话题我们之后再说。今天我介绍比高铁还快的磁悬浮列车。首先来回答一个问题，就是为什么磁悬浮列车可以开的这么快？

比方说在我国上海现在就有一条磁悬浮列车线，全国就这么一条。但是磁悬浮列车距离非常短，大概就30多公里，从龙阳路地铁站一直到浦东机场。然后它的最快速度大概是每小时430公里，当然了，车开到430公里左右的时速，大概也就能维持一分钟的时间。从龙阳路到浦东机场是8分钟，大部分时间并不会用430公里的时速去运行。那要让交通工具前进，主要是要克服阻力。换句话说，交通工具感受到的阻力越小，就能够把交通工具加速到越快。

阻力的来源主要有两个，分别是空气阻力和地面，或者说轨道对于交通工具的阻力！空气阻力只要有空气这个问题基本是解决不了的，你不可能完全消除空气阻力的影响。只有通过改变外形，让空气阻力变得相对来说小一些，这就是为什么我们的高铁它都是所谓的子弹头列车，头部非常尖。尤其是越先进的高铁，它的头就越尖，整个高铁的车头就拉得非常长，本质上其实是让空气在阻碍高铁运动的时候，它不是正面的撞到空气上，是从一个侧面划过去的这样一个形态。这种流线型可以有效的减少空气阻力，但是不可能完全消除，更不要说当速度快上去之后还有湍流这样的现象。

除了空气阻力之外，还有一个非常重要的的阻力来源就是摩擦力。跟地面只要有接触就有摩擦，摩擦这个东西也是不可能消除的。而磁悬浮列车的基本原理就是让列车通电之后产生磁场，列车就可以浮起来，所以叫磁悬浮。我们都有生活经验，磁铁分南级跟北极，用字母表示分别是S极跟N极。当N极对N极、S极对S极的时候，它们之间有一个排斥力。 我们之前也讲到过电磁感应的知识，电跟磁其实是相辅相成的，变化的电场会产生磁场。你同时给铁轨和列车通上电流，并控制好电流的方向和大小，就可以在列车和铁轨之间产生一对N极对N极或者S极对S极的磁场，达到同性相斥的效果。这样列车就会被从铁轨上举起来，它在运行的时候跟铁轨是没有实际接触的，这就完全消除了铁轨的摩擦力。这就是为什么磁悬浮列车可以开得这么快的原因，因为一个最主要的摩擦力被消除了。

那么虽然上海磁悬浮列车的运营速度是每小时430公里，但其实在实验室里面，世界上最快的磁悬浮列车已经可以达到每小时3000公里。3000公里就已经超音速了，它比我们平时坐的飞机的速度差不多还要快三倍。当然，这肯定是不可能商用的，为什么？因为能耗太大。一定要留意空气阻力这个东西，当速度快一倍的时候，空气阻力不是大一倍是大四倍，因为空气阻力是跟速度的平方成正比的。比如那些超跑，从100公里加速到200公里还是比较容易的，但是从200到400就非常难了，因为空气阻力不是线性提升，是成平方关系去提升的。

继续来讲磁悬浮列车的问题，有一点要注意：摩擦力这个力虽然是阻力，但也是接触地面的传统车辆前进的动力。你想想，如果在一个非常光滑的冰面上，人基本是站不住的，想要跑起来就更难了。为什么？因为你要向前运动，其实是要靠地面的摩擦力提供一个反作用力作用在你身上。我们平时说的打滑，就是当你摩擦力不够的时候，车轮就无法抓地，轮子在那空转，地面没有办法提供一个足够大的反作用力，车子就没有办法前进。也就是说，磁悬浮列车虽然产生了磁场，车飘起来了，但与此同时车借助的摩擦力也消失了。

下一个问题就是磁悬浮列车无处借力，它要如何才能向前运动？这个问题其实是靠交换的磁场解决的。当磁悬浮列车在铁轨上运行的时候，列车的车头跟车尾，N极跟S极在不断的调换，而铁轨上面的磁场也是一个交换的磁场。当列车知道它前面的铁轨的磁极，比方说是N极的时候，它就会把自己的车头调成S级。这样前方的铁轨对车头会产生一个吸引力；然后车尾也一样，后方的铁轨如果是S极，车尾的磁场也调成S级，利用同性相斥。

所以磁悬浮列车是怎么前进的呢？就是靠车头跟铁轨之间的异性相吸，把车往前拽，以及车尾根铁轨的同性相斥，把车往前推。在列车行进的过程当中，它不断的会根据车头和车尾的磁场的到底是N极还是S极，来变换自己车头车尾的磁极。这样就可以做到使磁悬浮列车既有推动力，又没有地面的摩擦力，就可以达到一个非常快的速度。

那么问题来了，磁悬浮列车如果真像我说的这么好的话，为什么没有普及？阻碍在什么地方？先告诉你一条铁律，就是任何科技产品能不能普及，永远都是钱的问题。成本太贵，再好也没有办法普及应用。磁悬浮列车的轨道，它跟高铁的轨道是不一样的：高铁的轨道就是两根铁轨，中间加一些枕木。当然高铁铁轨的要求要高一些，老式的铁轨更加山寨，在一堆石子上就可以把铁轨架起来。高铁由于速度快，所以要求是更高的，但也远远没有磁悬浮列车的铁轨贵！因为磁悬浮列车不是平放在铁轨上的，如果平放在上面的话，列车很容易就飞出去了，它是要卡在铁轨上，像一个夹子一样夹住铁轨，然后运行的时候再抬起来一点点。这就是磁悬浮列车造价贵的原因，因为它对铁轨的要求非常高。

既然列车是卡在铁轨上，所以基本上这个铁轨很难在平路上铺，都要有高架桥。所以说磁悬浮的轨道实在是太贵了，在地上是很难做的。它的能耗相对来说还好，因为没有地面摩擦，所以折合下来，比如说上海磁悬浮列车的造价是4000万美元一公里。相比之下高铁也慢不了多少，但是高铁的造价大概只有这个价格的1/3左右。

所以说相比之下，磁悬浮列车的成本实在是太高了，除了初期的投入成本之外，磁悬浮列车的维护成本也非常高。你想想看，高铁的铁轨，就是两块铁，但是磁悬浮列车的铁轨不仅有高架桥，里面还有很多电线，因为你要让它通电，才能有变化的磁场。所以说在这种情况下要去维护磁悬浮列车的铁轨，成本就比高铁的成本多很多。在速度差不了多少的情况下，磁悬浮列车当然不划算。

这就是磁悬浮列车普及的主要障碍，基本也可以说是唯一的障碍。千万不要小看高铁，虽然现在高铁的运营速度是每小时350公里左右，但是高铁的实验速度可以开到600。所以说在速度差不多情况下，远距离交通，显然还是高铁要经济实惠得多。它也易于保养，很多磁悬浮相对来说比较脆弱。

你总结一下，今天我们讲了磁悬浮列车的原理，主要是因为它把这个车抬高了，离开了铁轨没有实际接触，所以并没有摩擦力。然后同时我也告诉你在没有摩擦力的情况下如何前进，它是通过一个不断变换的磁场，前面车头利用磁场的异性相吸往前拽，后面车尾利用同性相斥往前推。但是总的来说，磁悬浮列车还是太贵了，并且维修费用非常高，难以普及。相比之下，我们现在的高铁，以及未来的超级高铁方案，要靠谱许多。

最后我来问你一个问题，就是根据我给你的这些信息，你觉得以后主流的出门方式，飞机会不会被高铁全面取代？当然北京飞纽约这种超远距离的应该是不会了，但是像北京到广州这种中程距离的交通，你觉得会不会全部采用高铁？