Ett magnetiskt svävande (maglev) tåg som utvecklats av Central Japan Railways Co. driver en testkörning den 11 maj, 2010 i Tsuru, Japan. Junko Kimura/Getty Images Masstransportens utveckling har förändrat den mänskliga civilisationen i grunden. På 1860 -talet, en transkontinental järnväg förvandlade den månadslånga sloggen över Amerika till en veckolång resa. Bara några decennier senare, personbilar gjorde det möjligt att studsa över landsbygden mycket snabbare än på hästryggen. Och naturligtvis, under första världskriget, de första kommersiella flygningarna började omvandla våra resor igen, vilket gör resor från kust till kust några timmar. Men tågresor i USA är inte mycket snabbare idag än för ett sekel sedan. För ingenjörer som letar efter nästa stora genombrott, kanske "magiska" flytande tåg är bara biljetten.
Under 2000-talet finns det några länder som använder kraftfulla elektromagneter för att utveckla höghastighetståg, kallad maglev tåg . Dessa tåg flyter över styrvägar med hjälp av de grundläggande principerna för magneter för att ersätta det gamla stålhjulet och spårtåg. Det finns ingen järnvägsfriktion att tala om, vilket betyder att dessa tåg kan nå hastigheter på hundratals miles i timmen.
Ändå är hög hastighet bara en stor fördel med maglevtåg. Eftersom tågen sällan (om någonsin) vidrör spåret, det finns mycket mindre buller och vibrationer än vanligt, jordskakande tåg. Mindre vibrationer och friktion resulterar i färre mekaniska haverier, vilket betyder att maglevtåg är mindre benägna att stöta på väderrelaterade förseningar.
De första patenten för magnetisk levitation (maglev) teknik arkiverades av den franskfödda amerikanska ingenjören Emile Bachelet ända tillbaka i början av 1910-talet. Redan innan det, år 1904, Amerikanska professorn och uppfinnaren Robert Goddard hade skrivit ett papper som beskriver idén om maglev -levitation [källa:Witschge]. Det dröjde inte länge innan ingenjörer började planera tågsystem baserade på denna futuristiska vision. Snart, de trodde, passagerare skulle gå ombord på magnetiskt drivna bilar och blixtlåsa från plats till plats i hög hastighet, och utan många av underhålls- och säkerhetsproblemen vid traditionella järnvägar.
Den stora skillnaden mellan ett maglevtåg och ett konventionellt tåg är att maglevtåg inte har motor - åtminstone inte den typ av motor som används för att dra typiska tågvagnar längs stålspår. Motorn för maglevtåg är ganska oansenlig. Istället för att använda fossila bränslen, magnetfältet som skapas av de elektrifierade spolarna i styrväggarna och spåret kombineras för att driva tåget.
Om du någonsin har lekt med magneter, du vet att motsatta poler lockar och som poler stöter bort varandra. Detta är grundprincipen bakom elektromagnetisk framdrivning . Elektromagneter liknar andra magneter genom att de lockar till sig metallföremål, men magnetdragningen är tillfällig. Du kan enkelt skapa en liten elektromagnet själv genom att ansluta ändarna på en koppartråd till de positiva och negativa ändarna av en AA, C- eller D-cellbatteri. Detta skapar ett litet magnetfält. Om du kopplar bort endera änden av kabeln från batteriet, magnetfältet tas bort.
Magnetfältet som skapas i detta tråd-och-batteri-experiment är den enkla idén bakom ett maglev-tågskenessystem. Det finns tre komponenter i detta system:
Vi tittar på banan härnäst.
Innehåll
Maglev -spåret låter tåget flyta ovanför spåret genom användning av avvisande magneter. Lär dig mer om Maglev -spåret och se ett diagram över ett Magelev -spår. Hur saker fungerar Den magnetiserade spolen som löper längs banan, kallade a väg , stöter bort de stora magneterna på tågets vagn, låta tåget få att sväva mellan 0,39 och 3,93 tum (1 till 10 centimeter) ovanför styrbanan [källa:Boslaugh]. När tåget svävar, kraft tillförs spolarna inom styrväggarna för att skapa ett unikt system av magnetfält som drar och skjuter tåget längs styrbanan. Den elektriska strömmen som tillförs spolarna i styrväggarna växlar ständigt för att ändra polariteten hos de magnetiserade spolarna. Denna förändring i polaritet gör att magnetfältet framför tåget drar fordonet framåt, medan magnetfältet bakom tåget lägger till mer dragkraft framåt.
Maglevtåg flyter på en luftdyna, eliminerar friktion. Denna brist på friktion och tågens aerodynamiska konstruktioner gör att dessa tåg kan nå oöverträffade marktransporthastigheter på mer än 310 mph (500 km / h), eller dubbelt så snabbt som Amtraks snabbaste pendeltåg [källa:Boslaugh]. I jämförelse, ett kommersiellt flygplan från Boeing-777 som används för långdistansflyg kan nå en toppfart på cirka 565 mph (905 kph). Utvecklare säger att maglevtåg så småningom kommer att länka samman städer som är upp till 1, 000 miles (1, 609 kilometer) från varandra. Vid 310 mph, du kan resa från Paris till Rom på drygt två timmar.
Vissa maglevtåg har ännu högre hastigheter. I oktober 2016, ett japan järnväg maglev bullet train flammade hela vägen till 374 mph (601 kph) under en kort körning. Den typen av hastigheter ger ingenjörer hopp om att tekniken kommer att vara användbar för rutter som är hundratals mil långa.
Tyskland och Japan har båda utvecklat maglev -tågteknik, och testade prototyper av sina tåg. Även om det bygger på liknande begrepp, de tyska och japanska tågen har tydliga skillnader. I Tyskland, ingenjörer utvecklat en elektromagnetisk upphängning ( EMS ) systemet, kallas Transrapid. I detta system, botten av tåget sveper runt en styrskena av stål. Elektromagneter fästa på tågets vagn riktas upp mot styrbanan, som svävar tåget cirka 1/3 tum (1 centimeter) ovanför styrbanan och håller tåget svävande även när det inte rör sig. Andra styrmagneter inbäddade i tågets kropp håller det stabilt under resan. Tyskland visade att Transrapid maglev -tåget kan nå 300 mph med människor ombord. Dock, efter en olycka 2006 (se sidofältet) och stora kostnadsöverskridanden på en föreslagen rutt i München centralstation till flygplats, planer på att bygga ett maglevtåg i Tyskland skrotades 2008 [källa:DW]. Sedan dess, Asien har blivit navet för maglevaktivitet.
Maglev -olyckorDen 11 augusti, 2006, ett maglevtågfack på Transrapid Shanghai flygplatslinje fattade eld. Det blev inga skador, och utredare tror att branden orsakades av ett elproblem. Den 22 september, 2006, ett Transrapid -testtåg i Emsland, Tyskland på en testkörning kraschade in i en reparationsbil som av misstag lämnats kvar på banan. Tåget gick minst 193 km / h vid den tiden. Cirka 23 passagerare dödades och 11 skadades. En domstol beslutade att mänskliga misstag var skyldiga till händelsen, vilket skulle ha undvikits om anställda hade följt fastställda regler och rutiner. Inga ytterligare maglev -olyckor har rapporterats sedan 2006. Men testtågen i Tyskland avbröts så småningom medan maglevtåget i Shanghai fortfarande körs.
Ovan är en bild av vägbanan för Yamanashi maglev -testlinjen i Japan. Foton med tillstånd av Railway Technical Research Institute Japanska ingenjörer har utvecklat en konkurrerande version av maglevtåg som använder en elektrodynamisk upphängning ( EDS ) systemet, som är baserad på magneternas avstötningskraft. Den viktigaste skillnaden mellan japansk och tysk maglevtågsteknik är att de japanska tågen använder superkylda, supraledande elektromagneter. Denna typ av elektromagnet kan leda elektricitet även efter att strömförsörjningen har stängts av. I EMS -systemet, som använder standardelektromagneter, spolarna leder bara elektricitet när en strömförsörjning finns. Genom att kyla spolarna vid kalla temperaturer, Japans system sparar energi. Dock, det kryogena systemet som används för att kyla spolarna kan vara dyrt och lägga avsevärt till bygg- och underhållskostnaderna.
En annan skillnad mellan systemen är att de japanska tågen svävar nästan 4 tum (10 centimeter) ovanför styrbanan. En potentiell nackdel med EDS -systemet är att maglevtåg måste rulla på gummidäck tills de når en lyfthastighet på cirka 150 km / h. Japanska ingenjörer säger att hjulen är en fördel om ett strömavbrott orsakade en avstängning av systemet. Också, passagerare med pacemaker måste skyddas från magnetfält som genereras av de superledande elektromagneterna.
De Induktrack är en nyare typ av EDS som använder permanenta rumstemperaturmagneter för att producera magnetfält istället för drivna elektromagneter eller kylda superledande magneter. Inductrack använder en strömkälla för att accelerera tåget bara tills det börjar sväva. Om strömmen bryts, tåget kan långsamt sakta ner och stanna på sina hjälphjul.
Spåret är faktiskt en uppsättning elektriskt kortslutna kretsar som innehåller isolerad tråd. I en design, dessa kretsar är inriktade som steg i en stege. När tåget rör sig, ett magnetfält stöter bort magneterna, får tåget att sväva.
Det finns för närvarande tre Inductrack -mönster:Inductrack I, Inductrack II, och Inductrack III. Inductrack I är konstruerad för höga hastigheter, medan Inductrack II passar för långsamma hastigheter. Inductrack III är speciellt utformad för mycket tunga laster som förflyttas med låga hastigheter. Inductrack -tåg kan sväva högre med större stabilitet. Så länge det rör sig några miles i timmen, ett Inductrack -tåg kommer att sväva nästan en tum (2,54 centimeter) ovanför spåret. Ett större gap över banan innebär att tåget inte skulle kräva komplexa avkänningssystem för att bibehålla stabiliteten.
Permanenta magneter hade inte använts tidigare eftersom forskare trodde att de inte skulle skapa tillräckligt med svävande kraft. Inductrack -designen kringgår detta problem genom att arrangera magneterna i en Halbach -array . Magneterna är konfigurerade så att magnetfältets intensitet koncentreras över arrayen istället för under den. De är tillverkade av ett nyare material som består av en neodym-järn-bor-legering, som genererar ett högre magnetfält. Inductrack II -designen innehåller två Halbach -matriser för att generera ett starkare magnetfält vid lägre hastigheter.
I synnerhet, det passiva magnetiska svävningskonceptet är ett kännetecken i föreslagna hyperloop -transportsystem, som i huvudsak är ett tåg i Inductrack-stil som sprängs genom ett förseglat rör som omsluter hela spåret. Det är möjligt att hyperloops kan bli det valda tillvägagångssättet, delvis för att de undviker frågan om luftmotstånd på det sätt som vanliga maglevs inte kan, och sålunda, ska kunna uppnå supersoniska hastigheter. Vissa säger att en hyperloop kan kosta ännu mindre än en traditionell höghastighetslinje.
Men medan maglevtåg redan är en beprövad teknik med år av operativ historia, ingen har ännu byggt en kommersiell hyperloop någonstans i världen [källa:Davies].
Ett Transrapid -tåg vid Emsland, Tyskland testanläggning. Bild som används under GNU Free Documentation License Medan maglevtransport först föreslogs för mer än ett sekel sedan, det första kommersiella maglevtåget blev inte verklighet förrän 1984, när en maglev-pendeltåg med låg hastighet togs i drift mellan Storbritanniens Birmingham International-järnvägsstation och en flygplatsterminal på Birmingham International Airport. Sedan dess, olika maglevprojekt har startat, stannade, eller övergavs direkt. Dock, det finns för närvarande sex kommersiella maglevlinjer, och de är alla belägna i Sydkorea, Japan och Kina.
Det faktum att maglevsystem är snabba, smidigt och effektivt ändrar inte ett förlamande faktum - dessa system är otroligt dyra att bygga. Amerikanska städer från Los Angeles till Pittsburgh till San Diego hade maglevlinjeplaner på gång, men kostnaden för att bygga ett maglevtransportsystem (ungefär 50 miljoner dollar till 200 miljoner dollar per mil) har varit oöverkomligt och så småningom dödat de flesta av de föreslagna projekten. Vissa kritiker lambast maglev -projekt som kostar kanske fem gånger så mycket som traditionella järnvägslinjer. Men förespråkarna påpekar att kostnaden för att driva dessa tåg är, i vissa fall, upp till 70 procent mindre än med gamla skolans tågteknik [källor:Hall, Hidekazu och Nobuo].
Det hjälper inte att några högprofilerade projekt har floppat. Administrationen vid Old Dominion University i Virginia hade hoppats få en superbuss som zippar studenter fram och tillbaka över campus från och med höstterminen 2002, men tåget gjorde några testkörningar och närmade sig aldrig riktigt de 40 mph (64 kph) hastigheter det lovade. Tågstationerna dekonstruerades slutligen 2010 men delar av det förhöjda spårsystemet står fortfarande kvar, ett bevis på ett misslyckande på 16 miljoner dollar [källa:Kidd].
Men andra projekt kvarstår. En ambitiös grupp vill bygga en 64 mil lång sträcka från Washington DC till Baltimore, och idén har gott om förespråkare, men projektet förväntas kosta upp till 15 miljarder dollar. Konceptets orimliga prislapp kan vara skrattretande nästan var som helst i världen, men den här regionens själskrossande gridlock och begränsade utrymme innebär att stadsplanerare och ingenjörer behöver en innovativ lösning, och ett supersnabbt maglev-system kan vara det bästa alternativet. En viktig försäljningsargument - en expansion till detta projekt kan ansluta till Washington till New York och minska restiderna till bara 60 minuter, en snabb pendling som kan förändra handel och resor i nordöstra [källor:Lazo, Nordöstra Maglev].
I Asien, fastän, maglevbommen är i princip redan på gång. Japan arbetar febrilt på en rutt Tokyo-Osaka som kan öppna 2037. När den är klar, tåget kommer att minska den nästan tre timmars resan till bara 67 minuter [källa:Reuters].
Kina överväger allvarligt dussintals potentiella maglev -rutter, alla i överbelastade områden som kräver masstransport med hög kapacitet. Det här kommer inte att vara höghastighetståg. Istället, de kommer att flytta många människor över kortare sträckor vid lägre hastigheter. Ändå, Kina tillverkar alla sina egna maglevteknologier och är på väg att presentera en tredje generationens kommersiella maglevlinje med en topphastighet på cirka 201 km / h och är, till skillnad från tidigare versioner, helt förarlös, förlitar sig istället på datorsensorer för acceleration och bromsning (landet har redan några maglevtåg i drift men de behöver en förare.) [källa:Wong].
Det är omöjligt att veta exakt hur maglevs kommer att se in i framtiden för mänsklig transport. Framsteg i självkörande bilar och flygresor kan försvåra utplaceringen av maglevlinjer. Om hyperloopindustrin lyckas skapa fart, det kan störa alla typer av transportsystem. Och vissa ingenjörer misstänker att även flygande bilar, fast otroligt dyr, kan trumma järnvägssystem i framtiden eftersom de inte behöver massiva infrastrukturprojekt för att komma igång.
Kanske om bara ett decennium eller två, nationer runt om i världen kommer att ha kommit till en dom om maglevtåg. Kanske blir de en del av höghastighetsresor, eller helt enkelt husdjursprojekt som bara tjänar fragment av vissa befolkningar i trångt stadsområde. Eller så försvinner de helt enkelt i historien, en nästan magisk form av levitationsteknik som bara aldrig riktigt tog fart.
