为什么火车在铁轨转弯处的向心力会分解为重力和弹力,那摩擦力呢

Question

为什么火车在铁轨转弯处的向心力会分解为重力和弹力 ,那摩擦力呢

Answer 1

你好.先提一个小瑕疵,这句话表述有歧义,说“重力和弹力是向心力分解出来的”不太妥当.应该说是重力和弹力的合力提供（或者说“充当”）了向心力.
我的习惯是既然回答了就回答得具体些,您不要嫌烦,全手打的也不容易啊^_^
我们知道物体受到的合外力=0时静止或做匀速直线运动；受到和运动方向相一致的合外力的时候做直线加（或减）速运动,而当受到的合外力与运动方向成一定角度时,做曲线运动.
当物体所受到的合外力一直与物体运动方向相垂直时,做圆周运动.所谓向心力就是指这个垂直于物体运动方向的一个外力或几个外力的合力.（向心力又叫法向力）如果没有这个力,火车转不了弯.
这些都想明白了之后,然后我们就来分析火车在转弯时都受哪些力：火车头带火车跑,给火车一个牵引力；为什么要用火车头带,是因为火车前进时,要受到阻力,主要是动摩擦力.牵引力动摩擦力都是和运动方向一致的,是切线方向,他们是无论如何也无法在垂直于运动方向的方向上提供分量,所以不能提供向心力.除了牵引力和动摩擦力之外,就剩下铁轨给火车的弹力和火车受到的重力了.他俩是一定会成一定角度的,他俩的合力为火车转弯提供向心力.
其实说到这里就差不多可以了,但还不能算是完全把这个问题解释得很完美.为什么这么说呢?因为这牵扯到火车铁轨铺设的问题.试想,如果火车一直是在一个水平面上跑的,那么重力是垂直于这个水平面的,而无论火车如何转弯,向心力应该一直是在这个水平面上的,那么重力也是一直垂直于向心力方向的,那凭啥说向心力跟重力有关呢,直接说向心力是弹力的分量得了呗.这是因为,火车在拐弯的时候铁轨不是平的,左转弯处,左轨低些,右轨高些；右转弯处反之.这样一来,重力在向心力方向是确确实实可能有分量的.
那为啥又把铁轨铺成那样纸呢?首先你要观察一下铁轨,火车的轮毂,内侧多块肉,卡在铁轨内侧.跑直线时,铁轨的上表面托住火车轮,给火车向上的弹力与重力平衡.如果在转弯处铁轨也是水平的,那刚才说到向心力只能由弹力的分量提供,那铁轨就必须与火车轮内侧多那块肉发生挤压（铁轨上面和侧面弹力的合力才能不为铅直方向）,才能迫使火车转弯.这样时间久了会把铁轨搞得横向偏移,很危险.为了保护铁路,所以要铺一定角度.另外,如果发生挤压,这个力不是通过火车中心的,会造成不可忽视的转动力矩,严重了会造成火车侧翻脱轨,这更危险,所以必须把铁轨铺成带一定倾角的.
而如果把铁轨铺得侧倾一定角度呢?这样铁轨就不在水平面上了,火车总的运行轨道就有可能不在一个水平面上了.重力就在向心力方向上可以提供分量了.
（通过具体计算可以知道,要使火车在转弯时,铁轨给火车的力恰好垂直于那个倾斜的面（不发生侧向挤压）,火车速度与铁路倾角的必须保持一定比例,与火车质量啥的都无关.在实际运行过程中,已铺设的倾角是一定的,就是说火车必须以一个确定的精确速度值通过时轮子与铁轨侧面才无挤压,低了高了都不会完全无侧向挤压.速度高于这个确定值时挤压较高的外侧轨,速度过低会挤压较低的内侧轨.）
火车这个问题解释完了,再追加点东西让楼主满意.以上说的是火车,可以说摩擦力与向心力没啥关系.但无轨的汽车摩托车就不同了.如果这个题的火车改成汽车摩托车,就不得不考虑摩擦力了.
在水平面上转弯,如果车辆没有发生侧滑甚至漂移,那就是轮子与路面之间的静摩擦力提供向心力,要是侧滑了,就要改叫滑动摩擦力提供向心力了.车辆之所以发生侧滑,就是因为轮胎与路面之间的最大静摩擦力太小,不足以为当前速度和圆周半径下的圆周运动提供向心力,于是车辆就必须以更大的圆周半径做曲线运动,表现为转弯时的侧滑.
说白了,区别就在于火车轮是嵌在铁轨里的,铁轨给火车的垂直于车身方向的力不能叫摩擦力,而无轨的汽车摩托车,在从侧面垂直于车身的方向上,路面给车身的力只能是摩擦力.
哎妈呀累死我了-_-||