Маглев та Герміон: Фізика Надшвидкого Земного Транспорту

Чому колеса виходять з шляху

При високій швидкості два сили домінують у бюджеті енергії поїзда: аеродинамічний опір F_drag = ½·ρ·C_d·A·v², який зростає пропорційно квадрату швидкості, та потужність, необхідна для подолання цього опору, P = F·v, яка відповідно зростає пропорційно кубу швидкості. При 350 км/год потяг потребує приблизно 8-12 МВт; щоб розігнати його до 600 км/год на колесах, знадобилося б 40-70 МВт – непрактично. Контакт колеса та колії також стає нестабільним вище приблизно 400 км/год, коли відбувається «полювання» (hunting oscillation), яке обмежує відстань, яку можна прокласти за допомогою звичайних залізничних доріг навіть із більшою потужністю; рекорд TGV у 2007 році – 574,8 км/год – вимагав окремої колії, коротшого потяга та 25 кВ змінний струм на повітряній лінії, і ні в якому разі не був практичним для комерційного використання.

Два способи підняття

Теорія Еншоу зазначає, що неможливо стабільно підняти магніт лише за допомогою статичних полів – тому системи маглев обходять це питання. EMS (електромагнітна підвіска) використовує електромагніти під автомобілем, які притягуються до залізобетонних рельсів, а активна система керування регулює струм більше ніж 1000 разів на секунду, щоб підтримувати відстань приблизно 10 мм; вона може підтримувати стабільне положення та використовується в Transrapid у Шанхаї.

EDS (електродинамічна підвіска) використовує надпровідні магніти для індукції вихрових струмів у котушках з алюмінію, а закон Ленца перетворює це на відштовхувальну силу, яка стабільна при швидкостях понад приблизно 100 км/год – японський SCMaglev використовує цей підхід і тримає рекорд швидкості на рейку 603 км/год (2015), потребуючи лише коліс на низьких швидкостях.

Лінійні двигуни: сама колія є рушієм

Обидва Maglev та Hyperloop використовують лінійний двигун – по суті, роторний двигун розгорнутий рівномірно, який генерує тягу замість крутного моменту. Лінійний індукційний двигун приводить в дію хвилю магнітного поля в статоре, що індукує струми в реакційній пластині, яка є простою та надійною, як у Transrapid. Лінійний синхроний двигун, який використовується SCMaglev, більш ефективний на високих швидкостях, але потребує активних електромагнітів як у транспортному засобі, так і в рейду, з енергією котушок рельсу, що послідовно активуються під час проходження поїзда – фактично електричний двигун завдовжки сотень кілометрів.

Hyperloop: видалення повітря, а не лише тертя

У 2013 році Елон Маск опублікував статтю Alpha, в якій пропонувався концепт пасажирських капсул на швидкості 1200 км/год всередині труб, підтримуваних майже вакуумом – приблизно 100 Па, що відповідає близько 0,1% від атмосферного тиску. Тут очікується зменшення опору впритул у 1000 разів. Однак існує межа Кантровіца: на трансонівних швидкостях, якщо поперечний переріз капсули перевищує приблизно 36% діаметра труби на швидкості Mach 0,9, повітря накопичується перед ним швидше, ніж воно може обтікати його, що призводить до затиснутого потоку та різкого стрибка опору. Пропонуються рішення, такі як подальше зниження тиску в трубі, додавання осевого компресора на носі капсули або просто збільшення ширини труби. Virgin Hyperloop досягла швидкості 387 км/год з двома пасажирами на відстані 500 м у 2020 році, але комерційна життєздатність у масштабах є під питанням – поточні оцінки вартості інфраструктури Hyperloop труби коливаються від 20 до 80 мільйонів доларів за кілометр, порівняно з 30-50 мільйонами доларів за кілометр для звичайних високошвидкісних залізниць.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.