Поезда - могут ли аэродинамические крылья уменьшить трение?

Трение, которое должны преодолевать поезда, — это почти чистое сопротивление воздуха, а не сопротивление качению. Катание стального колеса по одинаково твердой поверхности (например, по рельсам) чрезвычайно эффективно.

Добавление крыльев к поезду только увеличит аэродинамическое сопротивление, в частности, если крылья создают подъемную силу (то, что здесь нужно искать, называется «индуцированное сопротивление» ).

Кстати, также для автомобилей и велосипедов лобовое сопротивление значительно превосходит сопротивление качению на всех скоростях, кроме самых медленных.

TLDR: я не инженер, но я думаю, что это было бы вредно.

Поезду на самом деле не нужно преодолевать трение в точках контакта. На самом деле трение — это то, что позволяет колесам катиться. Если трения недостаточно, колесо начнет проскальзывать, и ЭТО вызовет огромные потери энергии. Фактически, величина трения определяет, какой крутящий момент и ускорение вы можете приложить без проскальзывания. Вот почему автомобильные колеса сделаны из материала, который имеет хорошее «сцепление» с дорогой (максимальное трение).

Фактически, потери на границе раздела колесо/рельс называются сопротивлением качению и возникают в основном из-за неупругих деформаций. Механизм другой, но результат тот же; инженеры определяют сопротивление качению$F$пропорциональна нормальной силе (массе поездов,$P$), аналогично трению скольжения:

$$F=CP$$ Из Википедии разумный и пессимистичный порядок величины для$C$было бы$C\approx10^{-3}$.

Теперь давайте посмотрим на действие ваших аэродинамических профилей. Они создают подъемную силу$L$и перетащите$D$. Подъемная сила уменьшит эффективный вес в уравнении сопротивления качению до$P-L$, а драг просто плохой парень в вашей истории. Чтобы сделать наш вывод безопасным, давайте возьмем невероятно оптимистичное отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению.$L/D=20$(супер «эффективные» аэродинамические поверхности).

Новое сопротивление качению можно рассчитать следующим образом:

$$F_{new}=C(P-L) = CP-20CD \approx F_{normal}-0.02D$$ Таким образом, с этой быстрой и грязной (и оптимистичной) оценкой мы видим, что снижение сопротивления качению составляет всего около 2% от введенной силы сопротивления. Таким образом, ваши аэродинамические профили в конечном итоге будут вредными. Это не говоря уже о том, что вы действительно уменьшите трение колеса, что, как мы установили, вредно (уменьшив максимальный крутящий момент, который вы можете приложить до проскальзывания).

Я должен подчеркнуть, что я не инженер и не могу гарантировать, что мой ответ следует правильному «ходу» мысли. Это всего лишь некоторый здравый смысл и быстрые оценки, которые, кажется, указывают на то, что введенное сопротивление значительно затмит снижение сопротивления качению.