時速為4000Km/h的高鐵到底靠不靠譜？

哲理 09-03

Sept.

灼見（微信號：penetratingview)

當超級高鐵達到時速4000Km/h，會不會被地球甩出去呢？

作者王標

自從中國航天科工爆出4000Km/h超級高鐵計劃之後，國內各大社交網站便炸開了鍋。大家的觀點無非兩種：一、完全支持，二、不切實際。

那麼從理論上講，時速為4000Km/h的高鐵到底靠不靠譜呢？

一、對4000Km/h速度的陌生：

大部分人其實對4000Km/h並沒有什麼概念，把這個速度和一些我們平時能感受到的速度進行對比：

4000Km/h=1111.11m/s

（1）聲音再空氣中傳播速度約為340m/s（聲音的速度的3.3倍）

（2）普通子彈速度300m/s（普通子彈速度的3.7倍）

（3）普通民航客機速度為900Km/h（普通客機速度的4.4倍）

（4）高鐵動車最高時速350Km/h（高鐵動車速度的11.4倍）

綜上所述，超級高鐵的速度非常的快，比飛機快、比子彈快、比聲音快。

二、對高速的恐懼：

當人們意識到4000Km/h的概念之後，對高速度的恐懼隨之而來。子彈能對人體造成致命傷害的一個重要原因就是它的高速衝擊力。

舉一個簡單的例子：大家都知道，即使是一隻非常小的小鳥，對於高速飛行的飛機來說都是致命的威脅。

在這裡我們引入兩個概念：

相對速度：運動是絕對的，靜止是相對的，當我們描述一個物體的速度的時候，通常會選取一個參考系。以飛機為參考系，小鳥的速度可以達到250m/s（假設飛機900Km/h飛行）

動能：Ek=0.5mv2，運動的物體具有能量。假設這隻小鳥的質量有0.5Kg，根據動能公式，小鳥的動能是0.5*500g*（250m/s）2=3125000J

而1KgTNT爆炸釋放的能量是4200000J

公式：Ek=0.5mv2，隨著速度增加，能量將會成平方形式增加。假如把上面的飛機換成超級高鐵，已知小鳥與超級高鐵迎面撞上，所產生的能量（假設動能完全轉換成內能）：

Ek=0.5*500g*（1111.11m/s）2=308641358.025J（73KgTNT爆炸釋放的能量）

需要注意的是，和超級高鐵撞上的只是一隻0.5Kg的小鳥，如此可見，超高速度的威力。如果超級高鐵撞上的是一面非常堅固的牆面（比如一座山），那麼場面會比把一個雞蛋從10層樓扔下去還要慘烈。

所以，速度快有時候並不是一件非常好的事情，超高的運行速度給超級高鐵的安全性打下了一個問號。

三、加速度和速度是否是問題？

我寫這篇文章，就是想澄清9月1號灼見微信中關於超級高鐵加速度和速度的一些「不正當言論」。表面上看，文章說的很有道理，一度引起了大家對於超級高鐵的絕對懷疑，但是當我們拿起筆和紙自己算一算的時候，才發現，我們被這篇文章給忽悠了。

我當時還在火車上，發現問題後立即寫了一封郵件發給灼見君，灼見君也隨即撤掉了那篇推送。我寫這篇文章完全是應灼見君的邀請。

▼ 在火車上用紙筆算了一下

那篇文章裡面有一些錯誤的觀點我還記得很清楚。其中最主要的兩個觀點是：（1）加速度將會超過普通人的承受極限、（2）超高速將會把超級高鐵甩出地球。

首先我們來看看超級高鐵的加速度到底會不會超出人體極限。

我們這裡不討論超人，只討論普通人。當一個人處於加速度為1g的環境下，這個人的感受是背著一個和自己重量一樣的人，這種環境會讓大部分人感到難受，那麼我們把這個加速度降到0.5g，背著一個相當於自己體重一半的人，大部分人還是能夠承受的。

0.5g=5m/s2

假如加速度是0.5g，從初始速度0m/s到時速4000Km，所需要的時間是：

T=（1111.11m/s）/（5m/s2）=222.222s=3.7min

也就是說，乘客在0.5g加速度環境下，不到四分鐘就可以到達超級高鐵的最高時速，如果說，0.5g仍然讓乘客感覺到不舒適，我們把加速時間調整到5min，所需要的加速度只有0.37g。所以說乘客完全不需要考慮加速度問題。

最後我們看一下，當超級高鐵達到時速4000Km/h，會不會被地球甩出去呢？

其實，這一點更不用大家擔心了，如果4000Km/h的高鐵可以輕而易舉逃離地球引力，那麼科學家也不需要大費周章去研究各種火箭了。

地球表面的物體要想逃離地球，其速度需要達到第二宇宙速度：11.2Km/s。超級高鐵的速度才1.1Km/s，所以大家完全不需要擔心超級高鐵被地球甩出去。

第一宇宙速度：航天器沿地球表面作圓周運動時必須具備的發射速度，也叫環繞速度。按照力學理論可以計算出V1=7.9公里/秒。航天器在距離地面表面數百公里以上的高空運行，天空對航天器引力比在地面時要小，故其速度也略小於V1。

第二宇宙速度：當航天器超過第一宇宙速度V1達到一定值時，它就會脫離地球的引力場而成為圍繞太陽運行的人造行星，這個速度就叫做第二宇宙速度，亦稱脫離速度。按照力學理論可以計算出第二宇宙速度V2=11.2公里/秒。

第三宇宙速度：從地球表面發射航天器，飛出太陽系，到浩瀚的銀河系中漫遊所需要的最小發射速度，就叫做第三宇宙速度。按照力學理論可以計算出第三宇宙速度V3=16.7公里/秒。

綜上所述，超級高鐵存在理論上的可能，最終實現還需要技術的不斷發展。

—THE END—

作者：王標，中國地質大學（武漢）地質學國家理科基地班。