速度極限

《速度極限3D》是一款快節奏的敏捷類遊戲。

愛因斯坦的狹義相對論把光速定位在每秒186，000英里（每秒300，000千米），並把它作為宇宙的速度極限。達到宇宙速度極限要全力行駛6年。

基本介紹

• 中文名：速度極限
• 外文名：speed limiting
• 光速：c=299792458m·s-1

金屬材料

通過一組模擬實驗的數據，闡述了金屬材料速度極限的概念、實驗方法及現實意義；進一步討論了在速度極限狀態下，物質結構深層次的變化和與之相對應的能量釋放過程，觸及質能關係的本質，為物質極限理論的研究開啟了大門。

金屬的速度極限值

只選擇一種實驗方式進行考察：撞擊者是各種金屬材質的小球，被撞擊的靶子是一個理論上固定不動的剛體，那么撞擊的結果就是：動能轉化成內能、動能和其它能量形式———如果在速度足夠快，動能足夠大的情況下，動能將在瞬間完全轉化成內能，以熱能的形式瞬間表現出來，其他能量形式可以小得忽略不計。當此內能達到金屬材料的熔點，就認為，這樣的速度已經達到了該金屬材料的破壞點———即材料的速度極限。因為達到熔點的金屬材料已經不再具有器材的使用價值，並且在相反的過程中———由靜止到運動的瞬時速度達到這個速度極限值，對材料的破壞結果是相同的———它不是運動，而是熔化，不再具有器材的套用價值。通過測算對比不同金屬材料的速度極限值來確定哪種材料更適合於製造“光速飛船”。

於是可以確定這樣的實驗方法：金屬材質的球a在高速運動的過程中撞擊固定不動剛體，動能完全轉化成內能，當產生的內能達到球a所用金屬材料的熔點的情況下，認為已經達到了這種金屬材料的破壞點即速度極限———處於熔化狀態的金屬材料不再具有器材的使用價值。

假設球a是鋼製品，在撞擊剛體時動能完全轉化成內能Q，且內能Q能夠讓鋼製球體達到熔點 。就是說，鋼球在達到熔點時，所需要的內能是Q。即Q=cmΔT（式中c是比熱容，鋼的比熱容是490J/（kg·℃）；m是質量；ΔT是溫差，假設環境溫度為0℃，直接取鋼的熔點1425℃）。就是說：一個質量為m的鋼製球體，在環境溫度0℃的情況下，達到熔點時所需要的內能是Q=490×1425×m。

故鋼球的速度極限值是1181.7m/s。一個以1181.7m/s運動的鋼製球體撞擊剛，其結果是：鋼球在剛體上熔化。需要說明的是相反的運動過程：如果鋼製球體處於靜止狀態，用剛體來撞擊它，要求鋼球被撞擊後由靜止到運動的瞬時速度達到1181.7m/s。其結果一樣：鋼球在剛體上熔化。

金屬材料的速度極限值的兩層含義

金屬材料的速度極限值有兩層含義：

（1）金屬體由靜止到運動的瞬時速度極限值。金屬體的速度達到極限值時，呈熔化狀態，不再具有器材的使用價值。

（2）金屬體在加速後達到速度極限值，撞擊剛體，呈熔化狀態，不再具有器材的使用價值。

至於金屬體在不斷加速後究竟能達到怎樣的運動速度？有沒有速度極限？ 以上所說兩個速度極限值之間有無關聯？這是以後討論的話題。

在所列的常見金屬中，金屬鋼的速度極限值最高1181.7m/s；速度極限值最低的是鉛僅為291.6m/s。

其實，對速度極限有十分清楚的意識：普通汽車的速度上限設計在240km/h；動車為575km/h；飛機高達21000km/h；子彈的速度達1250m/s。通過實驗確定金屬材料的速度極限值是件十分有意義的事，對航空航天、高速機車、槍彈的研發都有重要的參考價值。試圖把金屬材料的速度極限，或者更廣義的說———把物質的速度極限作為一個新的物理概念提出來，有其更深層次的含義。

第一速度極限值和第二速度極限值

當金屬球a所具有的動能在撞擊剛體時全部轉化成內能，並且達到了該金屬的熔點，把這時的速度稱為該金屬的第一速度極限值；當金屬球a所具有的動能在撞擊剛體時全部轉化成內能，並且達到了該金屬的沸點，把這時的速度稱為該金屬的第二速度極限值；以此類推，便會看到，動能轉化成內能的過程，就是金屬材料的物質結構由外而內、由淺入深地被改變或被打開的過程———內能儲存在物質的結構中，動能的作用就是改變或打開不同層次的物質結構，釋放不同層次的內能。達到某一個速度的閥值，金屬熔化；達到下一個速度的閥值，金屬汽化。只要能產生足夠快的速度、提供足夠大的動能———可以打開原子，也可以打開原子核；可以釋放原子能，也可以釋放核能……。

高速輪軌

在高鐵運用與理論實踐基礎上，提出了抗蛇行頻譜特徵匹配原則，並作為超高速轉向架技術方案研究的基本指導準則之一。 根據基於抗蛇行頻帶吸能機制的穩定新理論，以ICE3系列作為基準轉向架，通過必要的參數優配，制訂了超高速轉向架優配方案。動態仿真分析表明：400km/h超高速運用存在3大技術難題：即抗蛇行減振器性能可靠性、車體橫向振動回響頻帶增寬和電機橫擺自激振動。儘管這3大技術難題在技術與理論上可以得到解決，但是超高速運用已經喪失了其商業價值。衝擊600km/h打破法國574.8 km/h世界紀錄，不僅具有十分重要的現實意義，而且也具備技術可行性。但是時速500km/h以上，將出現車輪縱向蠕滑不穩定問題。根據威金斯理論，這是高速輪軌速度極限的重要技術標誌之一。

抗蛇行減振器性能可靠性

轉向架穩定裕度是影響踏面磨耗的主要因素之一，因而抗蛇行減振器性能至關重要，否則踏面磨耗規律難以保障。對於動車400km/h直線運行來講，2位輪對的實際滾動圓半徑與磨耗指數對比表明：

( 1) 在新車狀態下存在輪緣側磨，但是並不十分嚴重( ≤200N·m/m)，且隨著等效錐度增大而逐步減輕，甚至達到無側磨的程度；

( 2) 踏面磨耗，經過輪軌磨合，迅速增大，但基本控制在適度磨耗程度( 即磨耗指數80N·m/m左右) ；

( 3) 進入快速磨耗階段後，下凹型踏面磨耗特徵逐漸顯示出來，如抗蛇振盪幅值( RMS)_2.2σ逐步減小，镟輪之前僅為2.79mm，且踏面磨耗率快速增長。

由此可見，上述磨耗規律仍然取決於抗蛇行減振器性能可靠性，比如由於內部泄漏所造成的相位滯後，甚至抗蛇行減振器漏油等。否則，轉向架穩定裕度就難以保障，車輪磨耗將極度惡化。ZF Sachs抗蛇行減振器也僅在新一代高速列車上套用，據稱其最高試驗速度400km/h以上。

車體橫向振動回響頻寬

在400km/h直線運行下，等效錐度對動車與拖車車體橫向加速度頻譜回響特徵的影響規律表明：在超高速運行下車體橫向振動回響頻帶增寬，且輪軌磨耗敏感。 但是車體垂向振動並無此類現象。

這是二系橫向懸掛相位滯後所產生的非線性所導致的。也就是說，二系橫向懸掛具有低阻抗小遲滯特性，在高頻激擾作用下形成了相位滯後非線性，造成了大量高頻振動的積累能量並傳遞給車體。由此可見，車體橫向振動回響頻帶增寬，其主要危害在於車下質量是否發生橫向耦合振動，並有可能造成裙板支架開裂等疲勞安全問題。這有待於剛柔耦合分析的進一步研究。

電機橫擺自激振動

電機橫擺自激振動是超高速轉向架的主要技術難題之一。車速和等效錐度是影響電機橫擺自激振動的2個主要因素。在較高等效錐度下超高速方案Ⅰ與Ⅱ的電機橫擺加速度對比可見：在電機橫擺轉變為自激振動狀態後，其橫向加速度有所減輕但效果並不明顯。

在超高速運行下，前位轉向架的後部電機橫向振動最為強烈，且呈現後擺傾向。這主要是抗蛇行高頻阻抗抑制前位轉向架搖頭相位滯後所導致的。

對於超高速轉向架研製，或者400km/h超高速運用來講，存在上述3大技術難題。隨著認知不斷深入，這3大技術難題在技術與理論上可以得以解決，但是已經喪失了超高速運用的商業價值。若未來建設了超高速線路，如更大軌道超高滿足其運行安全性等，如高速弓網關係試驗研究、整編部隊調動和超高速公務列車等。

車體橫向低頻諧振

在直線500km/h運行下車體出現橫向低頻諧振，約4Hz，且輪軌磨耗不敏感。在新車狀態下，隨著車速增高，無論動車還是拖車，其車體橫向低頻諧振有所增強，且頻率也有所上升。

車輪縱向蠕滑不穩定性

隨著車速增大，後位前導輪對的車輪縱向蠕滑低頻諧振將迅速增強，並逐漸形成黏滑振動現象。當車速達到 600km/h時，後位前導輪對的車輪自旋蠕滑超過0.6/m 的幾率較高，因而後位轉向架車輪有可能逐漸形成瞬間的縱向黏滑振動現象。因此，克服車輪縱向蠕滑不穩定性是衝擊600km/h的關鍵技術問題，同時也是高速輪軌速度極限的主要技術標誌之一。

高速輪軌極限速度是一個有爭議的熱點問題。威金斯首先提出自旋蠕滑，而三大蠕滑理論也有不同的假設。 特別是自旋蠕滑是否具有飽和曲線特徵，輪軌極限速度觀點也不盡相同。若存在極限速度，則必須落實高鐵經濟運用。