Kolej Magnetyczna

Pociągi szybsze niż najlepsze ferrari…

 

Szybkość to jedna z pierwszych wielkości fizycznych jakie poznajemy ucząc się fizyki od podstaw. Wielkość ta pomaga nam określić w jakim okresie czasu jesteśmy w stanie pokonywać dane odległości. Towarzyszy nam każdego dnia, na każdym kroku od początku istnienia wszechświata.

Ciała niebieskie, organizmy żywe, wszystko było jest i będzie w ruchu. Szybkość miała dla człowieka ogromne znaczenie! Zwiększała efektywność pracy, czasem nawet ratowała życie.

Weźmy na przykład legendę o Filippidesie.  Według podań starożytnego greckiego historyka Herodota, przebiegł z Maratonu do Aten niemal 40 kilometrów, aby obwieścić zwycięstwo i ostrzec przed nadpływającymi Persami. Po dzisiejsze czasy ludzie powtarzają ten wyczyn organizując maratony w większych miastach.

 

Chociaż ludzie pokonują własne ograniczenia, ćwiczą swoje ciała, aby osiągać coraz to większe prędkości niczym legendy sportu takie jak: Hesse Owens, Jim Hines, Maurice Greene czy Usain Bolt, to wciąż ograniczają nas ludzkie ciała, dlatego zaczęliśmy zwiększać limit osiąganych szybkości dzięki technologii.

Granica prędkości kolei magnetycznych i nie tylko!

Dla uzmysłowienia jak bariery prędkości zostały przesuwane oraz ile nas dzieli od ostatecznej prędkości światła poniższa tabela zbiera kilka informacji o prędkościach.

 

Jak możemy zauważyć człowiek potrafił rozpędzić się z kilku km/h do kilkuset km/h wsiadając do stworzonych przez postęp technologiczny pojazdów. Niestety przejażdżka bestiami prędkości takimi jak Porshe, Lamborghini Aventador czy też Bugatii, to czysta przyjemność. Za niewielką stawkę w stosunku do ceny auta można wykupić przejazd po torze.

Łowcy prędkości mają w zanadrzu jeszcze inny środek transportu, który rozwija jeszcze większe wyniki. Tym środkiem transportu jest wymieniona w tabelce kolej magnetyczna. Rekordowo osiągnięto prędkość 603 km/h lecz był to przejazd testowy bez załogi.

Jaką prędkość osiągniemy chcąc się przejechać i czy jest to w ogóle możliwe?

Chociaż koleje magnetyczne opracowywane są w USA, Niemczech, czy też jak dotychczasowy rekordzista prędkości w Japonii nie są one dopuszczone do użytku publicznego. Zakłada się, ze dopiero w 2027 roku kolej magnetyczna stanie się elementem codziennego życia mieszkańców Japonii.

Spokojnie, pomimo że większość krajów póki co jedynie testuje kolej magnetyczną to jest jeden kraj, który już ją poddał użytkowi komercyjnemu. Tym krajem jest Państwo Środka, czyli Chiny, a kolej znajduje się w Szanghaju i jest używana publicznie od 1 stycznia 2004 r.

Póki co obsługiwane są jedynie dwie stacje łączące centrum miasta połączone ze stacją metra oraz międzynarodowe lotnisko Pudong. Stacje są oddalone od siebie o 30,5 km, a dystans ten jest pokonywany średnio w 7 minut!!! 🙂

Możemy policzyć sobie, że średnia szybkość wyniesie około 260 km/h, ale przy osiągnieciu maksymalnej szybkości w granicach od 300 do 430 km/h. Halo halo, ale co to za granice zapytacie?

W zależności od pogody i pory dnia pociąg posiada różne maksymalne szybkości, więc gdybyście chcieli podróżować z tą największą to sugerowałbym kurs między 9 a 11 lub 13 a 17 w słoneczne dni, gdyż w tych godzinach i warunkach bezpiecznie można osiągnąć ponad 400 km/h. No dobrze… ale zapytacie:

Ile taki przejazd kosztuje, gdybyście akurat byli w Szanghaju?

Zwykły bilet przejazdu kosztuje 50 juanów chińskich co w przeliczeniu daje niecałe 30 polskich złotych. Dla porównania przejazd Lamborghini Gallardo w Polsce kosztuje 249 zł w roli pasażera i 349 zł w roli kierowcy za jedno okrążenie.

Opisuje Wam tu różne prędkości, opowiadam o kolei i cenach przejazdów, a gdzie tu wyczekiwany przez wszystkich aspekt fizyczny? Przecież chcemy się czegoś nauczyć, przeczytać jak fizyka wyjaśni nam to zjawisko. Opowiem w takim razie na jakiej zasadzie funkcjonuje kolej magnetyczna 😊

Kolej magnetyczna

Kolej magnetyczna nazywana Maglev z angielskiego magnetic levitation opiera się na fundamentalnym braku styku pojazdu z podłożem.

Siły odpychania i przyciągania

Jak możecie się domyślić jest to możliwe dzięki sile odpychania i przyciągania między biegunami magnesów.  Zabieg ten eliminuje istnienie sił tarcia, więc jedynymi siłami hamującymi są opory powietrza, które to minimalizuje się poprzez nadaniu pociągowi opływowego kształtu.

Skoro nie ma kontaktu z podłożem, nie ma też zwyczajnego silnika. W pojeździe typu Maglev stosuje się indukcyjne silniki liniowe, które to pracując w jednej płaszczyźnie wprawiają pojazd w ruch postępowy.

W silniku tego rodzaju w przeciwieństwie do silnika obrotowego uzwojenia nie są równoległe do osi obrotu wirnika, a prostopadłe do kierunku ruchu. Możliwą kombinacją jest umieszczenie uzwojenia pierwotnego wzdłuż toru, a wtórnego w samym pojeździe.

Dlaczego w ten sposób, a nie odwrotnie?

W tym przypadku energia elektryczna kierowana do uzwojeń musiałaby być dostarczana do ruchomego pociągu zamiast nieruchomych torów co skomplikowałoby cały proces.[1],[2] Jak wspomniałem kolej magnetyczna działa w oparciu o zjawiska przyciągania i odpychania sił magnetycznych co kataloguje nam dwie różne odmiany tej kolei.

 

Niemiecka kolej magnetyczna

Pierwszą odmianą kolei magnetycznej jest niemiecki system Transrapid. Kolej wybudowania w Szanghaju została wykonana właśnie przez Niemców.

W tym systemie doświadczamy unoszenia poprzez przyciąganie – EMS. Elektromagnesy są umieszczane pod podłoga pojazdu i to właśnie między nimi występują siły przyciągania. Na poniższej grafice zobaczycie rozmieszczenie elementów w tym układzie:

Kolej magnetyczna typu Transrapid

1) induktor, ruchoma część silnika liniowego 2) bieżnik, nieruchoma część silnika liniowego 3) szyna prowadząca 4) magnesy prowadzące [1]

 

Umieszczenie induktora oraz bieżnika pod konstrukcją zapewnia podparcie pojazdu, a prowadzenie i utrzymanie go w pionie jest zapewnione przez elektromagnesy zawarte w ramie wspornika.

Przedstawienie rozmieszczenia uzwojeń silnika liniowego w pojeździe typu Transrapid [1]

 

Nazwa Transrapid wzięła się stąd, że magnesy unoszące wraz z uzwojeniem silnika w torze tworzą zintegrowany moduł unosząco-napędowy. Przekrój takiego modułu możecie zobaczyć poniżej.

Aby wprawić do wszystko o czym wspominam w ruch, należy naprzód dostarczyć prąd przemienny o zmiennej amplitudzie i częstotliwości do aktywnych elementów silnika. Jest to możliwe dzięki statycznym przetwornicom, które instaluje się w podstacjach rozmieszczonych wzdłuż toru jazdy pojazdu. Jest to swego rodzaju wada, gdyż w obszarze podstacji może funkcjonować tylko jeden pojazd, a podstacje, w których obszarze nie znajduje się pojazd są odłączane od źródła energii. W takim wypadku drugi pojazd musiałby posiadać własną linie podstacji.[1],[2]

A co gdybyśmy chcieli się zatrzymać?

Wystarczy zmienić kierunek działania pola magnetycznego, a pojazd zacznie zwalniać. Dodatkowo oddając energie hamowania do sieci energetycznej.

Drugą odmianą kolei magnetycznej jest odmiana japońska stawiająca na technologie unoszenia elektrodynamicznego – EDS.

Lewitacja pociągu magnetycznego

Pojazd umieszczany jest w prowadnicy potocznie nazywanej „korytem”. Skonstruowane jest ono tak, że między jego ścianami bocznymi, a samym pojazdem pojawiają się siły magnetyczne, czego skutkiem jest lewitacja pojazdu i wprowadzenie go w ruch postępowy. Schemat „koryta” i rozmieszczenia magnesów przedstawiają poniższe rysunki:

 

Rozmieszczenie magnesów w systemie japońskim
a) Widok od przodu b) Widok z góry [3]

Dzięki wzajemnemu oddziaływaniu biegunów umieszczonych w prowadnicy oraz w dolnej części pociągu z jego lewej i prawej strony możliwe jest prowadzenie pojazdu. Przepływ prądu elektrycznego powoduje zmianę namagnesowania biegunów w kolejnych uzwojeniach czego efektem jest przyspieszanie lub hamowanie pojazdu.[3]

Co odróżnia japoński system kolei magnetycznej od niemieckiego systemu kolei magnetycznej?

W japońskim systemie to fakt stosowania elektromagnesów wykonanych z nadprzewodników, podczas gdy w niemieckim systemie używa się magnesów trwałych.

Zastosowanie elektromagnesów wymaga od japońskiego systemu zainstalowania kół! W swoich pociągach, gdyż przy małych prędkościach indukowana siła odpychania magnetycznego jest zbyt niska, aby doświadczyć lewitacji pociągu. Taki układ jezdny funkcjonuje zanim pociąg rozpędzi się do 100 km/h.

Podsumowanie artykułu o kolei magnetycznej

Idea kolei magnetycznej jest zaiste fascynującym wykorzystaniem właściwości magnesów. Niestety aktualnie koszty wytworzenia takiej kole magnetycznej i jej użytkowania przewyższają możliwe zarobki przy ustaleniu rozsądnych cen za przejazdy.

Póki co nie znajdziemy rozwiązania jak stworzyć kolej magnetyczną tańszym kosztem musimy zadowolić się zwyczajnymi pociągami licząc, że badania niedługo zrodzą swoje owoce… Jednak gdybyście kiedyś byli na wycieczce w Chinach lub już byliście i skorzystaliście to opiszcie nam swoje wrażenia w komentarzu!

 

Drodzy czytelnicy!

• Napiszcie w komentarzu, czy temat jest dla Was ciekawy!
• Gdybyście mieli do tej treści pytania, albo chcieli poznać więcej szczegółów o zastosowaniach magnetyzmu lub fenomenie prędkości to piszcie do nas na adres: elementum.edu@gmail.com
• A tym czasem ELEMENTUM życzy Wam udanego dnia!! I dużo fascynacji z odkrywania zjawisk fizycznych 🙂

Na koniec pamiętaj o tym…

• aby być na bieżąco z naukową wiedzą śledź nasz fanpage FB.
• że jeśli zainteresował Cię temat i chciałbyś dowiedzieć się więcej lub przygotować się do matury z fizyki to zapraszamy do umówienia się na lekcję z fizyki(korepetycje fizyka) do naszego eksperta!

Autor: Piotr Kałuziak, ELEMENTUM

 

Bibliografia:

[1] Towpik K., Kolej magnetyczna, „Problemy Kolejnictwa”, 2004

[2] Stephan Arnd, Transrapid: ,Szybka kolej na poduszce magnetycznej, TTS nr 9, 1997

[3] “Maglev” dla strony internetowej ”Physics World” Ma Sau-ying and Tong Shiu-sing