Как устроен самый быстрый поезд в мире?

Всем привет! Хотите прокатиться на самом быстром поезде в мире? Итак, вы стоите на вокзале и ждете поезд. Вдруг налетает сильный порыв ветра, и у всех срывает головные уборы. Этот порыв был вызван самым быстрым поездом в мире, который только что проехал мимо вас со скоростью шестьсот километров в час. Не издав ни звука! Что это за чудо? Это поезд Маглев на магнитной подушке, разработанный японской железнодорожной компанией. Он установил новый мировой рекорд скорости и соединит крупнейшие города Японии: Токио, Нагою и Осаку. Весь маршрут займет шестьдесят семь минут. На этом поезде из Нью-Йорка до Вашингтона можно доехать всего за час. Это быстрее, чем лететь туда самолетом. И этот поезд — совершенно бесшумный и не загрязняет атмосферу, ведь у него даже нет двигателя. Да и колеса не стучат по рельсам, потому что поезд парит в воздухе и не касается земли. Там даже нет рельсов.

Хотите знать, как это работает? Я вам расскажу. Давайте заглянем под обшивку поезда. Всё, что ему нужно для движения, — это магниты. А точнее — сверхпроводящие магниты. Эти овалы — наши супермагниты. Так что же в них такого особенного? Если пропустить через них электрический ток, они создадут вокруг себя сильное магнитное поле. Мы его изобразили линиями. И чем сильнее ток, тем больше и мощнее магнитное поле. Но ток постепенно нагревает магнит, его эффективность снижается, и магнитное поле ослабевает. Из-за высоких температур магнит создает большее сопротивление току. Обычное зарядное устройство для телефона работает точно так же. Провод может нагреваться, когда вы заряжаете телефон, потому что он создает небольшое сопротивление электрическому току, как наши электромагниты в поезде. Решение состоит в том, чтобы охладить магнит и превратить его в сверхпроводник.

Это можно сделать при температуре минус двести шестьдесят четыре градуса Цельсия. Это почти как температура в открытом космосе. При таких условиях материал магнита полностью перестает сопротивляться току. Вот почему он называется сверхпроводником. Его главное преимущество в том, что нам не нужно постоянно подавать на магнит электрический ток. Нужно зарядить магнит только один раз, затем ток будет циркулировать внутри него бесконечно, и магнитное поле будет непрерывным. Так как же достичь этой сверхнизкой температуры? Для охлаждения электромагнита нужен резервуар с жидким гелием. Гелий циркулирует в корпусе вокруг магнита и охлаждает его. При этом гелий испаряется и попадает в своего рода холодильник. Там он снова охлаждается и сжимается до первоначального состояния. И жидкий гелий отправляется обратно в резервуар в конце цикла.

Но этого недостаточно, чтобы удержать магнит в состоянии сверхпроводника. Поэтому инженеры добавили еще один тепловой экран. Это такая коробка с жидким азотом. Он проходит тот же цикл, что и жидкий гелий. Такие блоки из четырех сверхпроводящих магнитов и охлаждающих устройств установлены по всей длине поезда с обеих сторон. И эти магниты составляют лишь половину силы, которая заставляет поезд двигаться. Другая половина скрыта в дорожном полотне. Так что же там внутри?

Аналогичные овальные электромагниты установлены по бокам полотна. Их полярность постоянно чередуется: север-юг, север-юг, север-юг и так далее всю дорогу. Точно так же, как и полярность магнитов внутри поезда. Теперь давайте поставим наш поезд на дорожное полотно. Вы увидите, что магниты поезда и дорожного полотна находятся на одном уровне. Как же заставить поезд ехать без двигателя? Мы знаем, что противоположные полюса магнитов, север и юг, будут притягиваться, а одинаковые, например север и север, будут отталкиваться. Эти стрелки показывают силы притяжения и отталкивания магнитов. И все силы здесь направлены по диагонали. Результирующая сила направлена вперед, и поезд потихонечку начинает двигаться вперед.

Теперь поезд должен изменить полярность своих магнитов. Это делается путем изменения направления электрического тока внутри магнитов. Опять же, возникают силы притяжения и отталкивания между поездом и полотном. Поезд продолжает ехать. Машинист может регулировать скорость поезда, меняя полярность магнитов. Чем чаще менять север на юг, тем быстрее будет ехать поезд. Но почему поезд не падает на землю? Самое удивительное в этом поезде — левитация. Вы можете думать, что поезд не касается земли, потому что нижняя часть поезда представляет собой гигантский магнит. В то же время дорожное полотно представляет собой огромный магнит той же полярности. Магниты отталкиваются, и поезд левитирует. Это не так. Боковые магниты выполняют всю работу. Это те же самые О-образные магниты, только скрученные в виде восьмерки.

Представьте, что пара магнитов по краям поезда — это один гигантский магнит. Север находится слева, а юг — справа. Он висит точно посередине магнита в виде восьмерки, когда поезд едет. Но сила тяжести толкает поезд вниз. В то же время магнитное поле поезда заряжает эту катушку. Теперь в ней тоже движется ток. В итоге верхняя петля магнита заряжена как юг, а нижняя петля — как север. Магниты взаимодействуют, результирующая сила направляется вверх и поезд поднимается. То же самое происходит, когда поезд идет вверх. Магниты в виде восьмерки заряжены так, чтобы верхняя петля была заряжена как север, а нижняя — как юг. Результирующая сила направлена вниз, и поезд идет вниз. Это происходит само по себе, благодаря законам физики, водителю даже не нужно ничего делать. И поезд продолжает двигаться, паря над полотном на высоте около десяти сантиметров, это как длина тюбика зубной пасты.

Значит, поезд может левитировать только тогда, когда он движется? Именно! Но это не значит, что он просто падает на землю, когда прибывает на станцию. Для этого у поезда есть и обычные колеса. На станции поезд стоит на колесах, а затем набирает на них скорость. Колеса убираются, как шасси самолета, когда скорость достигает ста пятидесяти километров в час. А выпускаются они только тогда, когда нужно снова остановиться на станции. Но если у него нет колес, он же не может поворачивать, да?! Ну, для этого поезд использует полотно. Это делается с помощью уже известных нам катушек в виде восьмерки. Они соединяются друг с другом под поверхностью полотна. Когда поезд смещается вправо, его магниты заряжают катушки. Но поскольку магниты поезда больше приближены к правой катушке, она заряжена сильнее, и магнитное поле там намного сильнее. Это создает силу, которая толкает поезд обратно к центру полотна. То же самое происходит, если поезд смещается влево. Катушка заряжается, и магнитное поле толкает поезд к центру.

Динь-динь, звучит звонок, и поезд на магнитной подушке отправляется со станции в Токио. Он разгоняется до скорости, при которой магнитное поле позволит ему левитировать. А водитель убирает колеса и увеличивает скорость. За долю секунды поезд меняет полярность магнитов и ускоряется. Через час поезд прибывает в пункт назначения. Водитель его замедляет, и магнитное поле становится слабее. Пришло время выпустить колеса. Поезд приземляется и начинает замедляться.

Но у всех новых технологий поначалу бывают проблемы, правда? Ну, да. Первая — это размер. Маглев довольно небольшой и может перевозить не так много пассажиров. Кроме того, рельсы могут изменить направление движения поезда за пару секунд. Но для магнитной подушки в этом случае нужна более дорогая и медленная технология. Получается, на одном и том же участке полотна обычные поезда могут ездить каждые три минуты по сравнению с десятью минутами для поезда Маглев. Еще одна проблема — аэродинамика. Чем быстрее едет поезд, тем сильнее сопротивление воздуха. На скорости триста десять километров в час Маглев и другие сверхбыстрые поезда потребляют примерно одинаковое количество энергии. Но на скоростях выше пятисот километров в час Маглев будет потреблять в четыре раза больше электроэнергии. Учитывая небольшое количество пассажиров в поезде, билеты на него будут намного дороже, чем на обычные поезда.

Кроме того, Маглев не может ездить по обычным рельсам, и для него придется строить совершенно новые магистрали. Придется бурить много тоннелей, что делает проект еще более дорогим. Так зачем же Японии понадобилось такое дорогое и непрактичное решение? Есть несколько причин. И первая — сейсмическая активность. Землетрясения там происходят часто, и обычные рельсы повреждаются. Землетрясение разрушает всю инфраструктуру в считаные минуты. Магистрали для Маглева будут проложены дальше от побережья, в так называемой зеленой зоне, где землетрясения не угрожают поезду или полотну. И главное — этот скоростной поезд соединит три густонаселенных города. На дорогу от одного до другого будет уходить лишь около часа. Это даст огромный толчок общему экономическому росту и может принести много денег в будущем. Кроме того, Япония рассматривает возможность продажи этой технологии другим странам. Хотите, чтобы такой поезд появился в вашей стране? Куда бы вы отправились в первую поездку? Расскажите об этом в комментариях!