给疾驰的车厢加水

时间:2023-11-17 01:59:03

还有一个非常著名的经典相对论的应用案例,发生在铁路上。不知读者朋友是否知道,在老式蒸汽机车的车头后面,常挂有一节装有煤和水的车厢。在机车高速行驶的时候,我们一样可以给它加水。它的工作原理虽然很简单,但是非常巧妙,就是把正常状态下的现象反过来。

如图所示,我们把下部弯曲的管子竖直地插到水里面,并使弯曲部分的开口迎着水流的方向,我们将这根管子称为“毕托管”。那么流到管子里的水就会进入这个毕托管中。并且,管子里的水面比整个水池里的水面要高一些,这个高度是由水流的速度决定的。水流越快,管子里的水面越高。于是,铁路工程师就想到了一个办法,把这个现象反过来,把管子的弯曲部分放在静止的水里,使它移动。这样,管子里的水就会升到比水池里的水面高一些的位置。这里就是用静止代替了运动,用运动代替了静止。

给疾驰的车厢加水

图 如何给疾驰的车厢加水?在两条钢轨中间设有长长的水槽,位于煤水车底下。

当火车经过某一个车站时,有时候不需要停下来,就可以给装有煤和水的车厢添水。在一些车站的两条钢轨中间,有一条长长的水槽,如图所示。在这节车厢的底部,有一根弯曲的管子,这根管子的开口方向朝着火车的行驶方向。从图可以看出,当火车经过车站的时候,并没有停下,而是仍然在快速行驶着,但是水槽里的水却会顺着弯曲的管子流到这节车厢里。

不得不说,这个方法简直太巧妙了。利用这个方法可以把水升到多高的高度呢?这就涉及一个学科——水力学了。这门学科是专门研究液体的运动规律的。在水力学中,有这样一条定律:毕托管中的水所能升到的高度等于在这个速度的水流中,把物体竖直向上抛起所能达到的高度。如果不考虑摩擦、涡流等因素的影响,我们可以用下面的式子求出这个高度:

给疾驰的车厢加水

其中,V表示水流的速度,g表示重力加速度,一般为9.8米/秒2。在前面讲到的装有煤和水的车厢中,水和管子的相对速度跟火车的速度是一样的。也就是说,这里的水流速度就是火车的速度,假设火车的速度为36千米/小时(也就是10米/秒),那么,毕托管中的水面高度就是:

给疾驰的车厢加水

由此可以看出,火车的速度不需要很大,只要达到36千米/小时,水面的高度就可以达到5米高。即便有摩擦、涡轮等因素的影响,损耗了一定的能量,也没有关系,实际高度也足以给装有煤和水的车厢加水了。