火車在鐵路上飛馳，鐵路盡量做得筆直，但它總有轉彎的地方。你有沒有想過火車在轉彎的時候是怎麼留在鐵軌上，而不會脫軌的呢？

你可能會說，這有什麼問題，火車車輪的邊緣有一圈突起，火車就是靠它卡着才不會出軌的。事實果真如此嗎？我們今天就來說一說車輪的秘密。

我們都知道，汽車是有方向盤的。當我們需要轉彎時，向相應的方向轉動方向盤，車的前輪就會在傳動機構的帶動下往這個方向偏轉。這個時候處于外側的車輪運動的距離比内側大，汽車就可以穩定地轉彎了。

汽車轉彎時各個車輪的狀态

汽車的前輪在運動時可以不在同一個軸線上旋轉，這通常是汽車可以轉彎的前提。但火車的車輪卻不是這樣，它的每一對鋼質車輪都被緊緊地固定在同一個軸上，在任何時候，這一對相同大小的車輪轉動的角速度完全相同，并且火車沒有方向盤，它意味着車輪隻能沿着直線方向朝前走。那麼火車是怎麼做到轉彎的呢？

一列正在轉彎的火車

原來，火車的車輪表面并不是圓柱形，它實際上是一個圓錐面，内側大一些，外側小一點。而鐵軌的安裝也并不是水平的，它會向内側傾斜一個比較小的角度，以使壓力通過其中心向下傳遞到下方的枕木上。

車輪是一個斜的錐面

你可能會好奇，為什麼要這樣做呢？難道把車輪做平、鐵軌放平，重力垂直向下不好嗎？其實早期的火車車輪就是平的，鐵軌也是平放。但由于車輪與軌道之間不能卡死，在平路上行駛時它不但會左右飄，導緻車輪内邊緣撞擊鐵軌，當列車轉彎時，大部分的離心力會施加到車輪内緣與鐵軌側面，導緻車輪與鐵軌的嚴重磨損。更加嚴重的是，它很容易脫軌。

而将車輪做成錐面時，情況便大不相同。

錐面車輪向右轉彎時的情形

從上圖我們可以看出，當車輛向右轉彎時，離心運動的力會将列車向左側推，這使得左邊車輪的内側更靠近鐵軌，而右邊車輪的外側會與鐵軌接觸。車輪是椎體，它的外側半徑小于内側半徑，這意味着在轉動同樣角度的情況下（兩側車輪是固定在一起的），左側車輪行駛的距離比右側車輪更長。我們知道鐵路彎道外側的鐵軌總是長于其内側鐵軌，隻要兩邊車輪行駛的距離與鐵軌的長度相對應，列車就不會發生漂移，轉彎便是順其自然的結果。

錐形車輪使轉彎變得自然

當火車在平直的道路上行駛時，錐形的車輪會最大限度地保證車輛處于動态平衡的狀态。因為當車輪向一側偏移時，由于其兩側車輪與鐵軌間接觸半徑發生變化，它會自然向另一側做調整運動以尋找平衡，從而保證了車輪内邊緣不會與鐵軌擦碰。

車輪在軌道上行駛時的動态平衡

俯視角度的動态平衡

盡管火車的車輪是兩兩固定在一起轉動，但如果将所有的車輪都固定安裝到車身上，列車也是無法轉彎的。這時候我們需要利用轉向架。

轉向架在轉彎時的作用

如果沒有轉向架會發生什麼後果？我們看下面這張圖就可以知道：

沒有轉向架很容易脫軌

列車的轉向架通常安裝在車廂前後兩端附近，每個轉向架裝配兩對輪軸，以保證每個車輪都與鐵軌有緊密接觸。

列車底部的轉向架

有了錐體的車輪，有了轉向架就可以保證列車不脫軌了嗎？并非如此。列車在軌道上的安全行駛受到很多因素限制。

通過前文的介紹，我們不難發現，即便将列車的車輪做成了錐體，由于它内外緣的半徑相差不大，因此列車的轉彎半徑也會受到限制。同時，火車能否安全地通過彎道還取決于列車自身的載重和它運行的速度。如果鐵路的轉彎半徑過小、車速過快，都将導緻列車脫軌的事故。

轉彎半徑過小意味着車速受到嚴格限制

當受到自然條件的限制無法做到更大的轉彎半徑，當重型火車繞彎道轉彎時，反作用離心力會産生負面影響：乘客和貨物可能會感到向外側的力量，内外軌道會不均勻地磨損，并且不充分錨定的軌道可能會移動。為了獲得更快的速度，還要保證安全，就需要将一側的軌道擡高，以平衡列車轉彎時的離心力。這種軌道的擡升被稱為彎道超高。

一列客車高速駛入彎道時的照片，它傾斜了8°

現代的擺式列車采取了利用轉向架在彎道處主動傾斜的方式來彌補路軌超高的不足，以改善乘客的體驗，但這種補償隻能是有限的，它必須在列車運行的安全範圍内進行，否則過快的車速還是會造成脫軌甚至傾覆事故。

火車車輪内側邊緣的突起并不是防止列車脫軌的唯一手段，事實上，列車的安全運行并不主要依靠這個突起的邊緣。

防止列車脫軌需要考慮多方面的因素。首先，列車的車輪被設計成向外傾斜的椎體表面，列車在彎道時通過車輪内外緣的半徑差獲得不同的運行距離，以達到自然轉彎的目的；在直道高速行駛時，椎體的車輪可以使列車獲得動态的平衡。

列車轉向架是保證列車安全轉彎的重要部件。

為了在彎道處獲得更快的運行速度，在鐵路建設的過程中會将彎道外側的鐵軌适度擡高，以平衡列車在彎道行駛中的離心力。即便如此，火車司機還必須按照信号的指示調整車速，過快的速度從來都是造成列車脫軌事故的重要原因。

一輛澳大利亞的機車在彎道處沖出路軌