科普：为什么高铁上竖着的硬币9分钟而不倒
2015-07-17
中国高铁运行过程中有多平稳，近日在网络上疯传的一段视频或许能够说明问题。
一位在中国旅行的外国人，将一枚硬币竖立在，正在京沪高铁上以时速300公里飞驰的列车窗台上，硬币竟然能够屹立9分钟而不倒，而且在列车到达常州北站减速直至停稳时竟然仍能立得稳稳当当，只是在列车要进站时，因为需要变换轨道，导致列车出现大范围横向移动，硬币才竖立不稳倒掉。
这位外国友人将视频传到YouTube上后，在海内外引起了热议。这位外国友人说，我最近去上海旅行，成功地在时速300公里的列车上竖起了一个硬币。现代化的高速铁路非常快也很舒适，中国企业已经成为高铁的全球领导者。如果可以建造又舒适又快的高速列车，为什么要建造速度又慢又不舒服的列车呢？我们需要用现代化技术修建瑞典新的高速铁路网。他还说，这次旅行旅行是他的公司SBRC（斯堪的纳维亚桥梁铁路集团）和CDB（中国开发银行）安排的，同行的还包括瑞典国会交通委员会以及瑞典交通运输管理部门的代表。
这让很多人惊讶得合不上嘴巴！许多乘坐过日本或者欧洲高铁的人都知道，有时候你都不能在车上稳稳地站立，不能在车上气定神闲地行走，为什么中国的高铁能够如此平稳，一枚立着的硬币都能9分钟而不倒？下面就给大家简单地介绍一下这个问题的原因所在。
对于高铁运行的稳定性，我们可以从三个指标来考察。第一个指标是纵向稳定性，包括列车起停时、加减速时、匀速运行时的平稳性；第二个指标是横向稳定性，主要反应列车的左右摇摆；第三个指标是垂向稳定性，主要是反应列车的上下颠簸。应该说作为世界上标准最高的高铁线路与列车，CRH380系列在京沪高铁上行驶时，在这三个指标上都已经达到了一种极致，所以这位外国友人才能够立一枚硬币在高铁上9分钟而不倒，所以小朋友才能够在京沪高铁上自如地玩搭积木游戏。
我们先来看第一个指标，纵向稳定性。中国高铁运行稳定到什么水平呢，如果不是因为看到窗外的参照物在后退，经常会出现列车已经走出很远，你都没有发现的地步。正如视频中显示的，当列车稳稳地停在常州北站站台上时，那枚硬币依旧能够稳稳地立在那里（在进站前因为要变换轨道，硬币曾倒过，我说硬币不倒，是排除变轨这个因素，只是从时速300公里减速到0公里的过程）。
如果一定要说清楚这个问题，就涉及到两个概念。第一个概念是加速度（减速度），反映的是速度变化的快慢；第二概念叫加加速度（减减速度），反应的是加速度（减速度）变化的快慢。前一个的单位是米/秒2，后一个单位是米/秒3。而能够反映高速列车纵向平稳性的指标，就是加加速度或者减减速度，当然列车匀速运行时这个值肯定比较小，能够反映出列车纵向平稳性水平的就是在列车起步时或者停站时。
中国高铁运行为什么纵向平稳性能够这么高？原因就是中国高速列车的加加速度与减减速度都非常低？有多低？以中国中车旗下四方股份公司研制的CRH380A为例，它的加加速度和减减速度值要求必须小于0.75米/秒3。这个指标代表什么水平？在全球这个行业是顶尖的。
第二个指标是横向稳定性也就是左右晃动，第三个指标是垂向稳定性，也就是上下颠簸。在这两个指标上，中国的高铁列车控制得也非常严格。还是以CRH380A型高速动车组为例，在列车以时速300公里运行时，要求客室中部的横向最大加速度只有0.42米/秒2。
对于列车的纵向平稳性，起决定作用的，首当其冲的是列车，但是对于列车横向与垂向稳定性，起决定作用的却是高铁线路。中国不但拥有世界上第一流的高速列车，而且还拥有世界上超一流的高铁线路。我说超一流并不是夸张，京沪高铁就是世界上建设标准最高的高铁线路，没有之一。
就保证列车平稳运行方面而言，高铁线路首先要平直。所谓平直就是尽量采用直线或者大半径的圆曲线，不能有太多太急的弯道。如时速350公里的高铁要求线路的曲线半径一般要求不小7000米，而京沪高铁的最小曲线半径是9000米，在非常困难的地方最小曲线半径也不低于7000米。而日本、欧洲的很多高铁线路最小曲线半径只有4000米左右。为了做到线路的平直，中国高速铁路建设大量采用桥梁，一方面可以节约土地征用，另一方面就是能够截弯取直。
第二要平顺，所以线路坡度不能太大，如京沪高铁最大坡度低于12‰，困难处最大坡度也不能高于20‰，所以中国的高铁线路多采用无砟轨道以及无缝钢轨。当然高铁线路还要严格控制沉降，这也是中国高铁建设热衷采用桥梁的原因之一。普通的填方路基是由特定的填料（粘土、碎石土等）填筑而成的，这些填料填筑时是较为松散的，需要依靠机具压实到一定程度。但是由于填料本身的固有性质，即便是机具压实后，填土也会继续发生一定程度的固结沉降。而桥梁则不是，桥梁是建立在桩基之上的。根据地质情况不同，桩基的深度也不一样，一般要打到岩石层，有些深度达六七十米深。所以建立在桥梁之上的线路产生的沉降就很校
立一枚硬币在中国高铁上9分钟而不倒，原因就在这里。
