SMT

首次在上海浦東國際機場乘坐磁浮列車（Magnetic Levitation Train；一般稱為 Maglev Train）往市區，沒想到何其極快，比乘坐地鐵往市區足足快半小時，極之舒適、方便、快捷！不過大家又是否知道，磁浮列車的科學原理，其實可以是STEM的教材？ ▲上海磁浮列車（Shanghai Maglev Train；SMT） 磁鐵的特性 磁鐵是一種能夠產生磁場的物體，同時又能夠吸引一些有鐵磁性的物質，例如：鐵、鎳及鈷等金屬。而磁鐵上的磁極判定，可以利用細線懸掛磁鐵，指向北方的磁極稱爲「指北極」，又會以英文字母「N」來表示；指向南方的磁極就稱為「指南極」，用來英文字母「S」表示。磁鐵異極則相吸，同極則排斥。意思是指南極會與指北極相吸，而指南極與指南極相斥或指北極與指北極相斥。 ▲▼磁浮列車採用磁鐵的「異極相吸、同極相斥」原理推進。 磁鐵附近會有磁場産生，可以利用磁力線來以形象地描繪磁場分布。磁力線總是從 N 極出發，進入與其最鄰近的 S 極並形成，而在磁鐵內部的磁力線就是由 S 極到 N 極。 從磁浮列車玩具分析原理 磁鐵的應用範圍很廣泛，小型的有開合用的鈕扣、櫃門和馬達，大型的就有磁浮列車。 ▲即使是玩具列車，科學原理仍然是一樣。 而當中的磁浮列車就不斷運用「同極相斥，異極相吸」的磁鐵特性來令列車運作。就以磁浮列車玩具來作基本的解說，要令磁浮列車玩具懸浮在半空，在列車的的底部和懸浮軌道上裝有同極的磁鐵，利用同極相斥的原理令列車浮起。 磁浮列車的車身上裝有一組 N 極的電磁鐵，前後位置被兩個 S 極的永久磁鐵隔夾著，而在推進軌道的外圍就安裝了間段連續的 N 極和 S 極的永久磁鐵作為導引用的磁鐵。 ▲玩具列車和路軌，同樣按照真車的設計原理，安裝了相應的磁鐵。 ▲N / S 兩極磁場，形成「前吸 / 後推」現象，列車就可沿著導軌前進。 當電流流經過列車車身上的電磁鐵時，會產生一個N 極磁場，於是列車會與推進軌道外圍磁鐵的異極間產生一股吸力，而遇到推進軌道外圍磁鐵的同極所產生的排斥力，列車就能藉著前吸後推的動作使磁浮列車玩具前進。 上海磁浮列車設計與運作 上海磁浮列車（SMT）的運作原理亦與列車玩具差不多，只是SMT利用電磁鐵產生吸引力令車輛浮起，同時軌道是以「T」字形導軌設計，列車的兩側下部向導軌的兩邊環抱，以防止磁浮列車在高速行駛時脫離軌道。 ▲磁浮列車玩具仍需要旁邊的支撐，與現實的SMT有點不同。 ▲SMT的導軌和列車結構，可見與玩具磁浮列車有異。 磁浮列車的無接觸懸浮和導向系統是根據電磁吸引原理工作，懸浮磁鐵從下方將列車向上吸向軌道，導向磁鐵則在側向保證列車的行駛軌跡，列車從頭到尾都安裝著懸浮磁鐵和導向磁鐵。而安裝在軌道上的長定子是用來替列車進行供電。 ▲值得留意導軌中央部分的強力懸浮磁鐵，是它們令列車浮起的主力。 在列車車卡下部的內翻部分面上裝有磁力強大的電磁鐵，導軌底部設有鋼板。鋼板在上，電磁鐵在下。當電流流經電磁鐵上的金屬線圈時，能產生磁力吸引鋼板，因而令列車浮起。 ▲▼簡單來講，導軌的「導向磁鐵」用作引導列車前進、「懸浮磁鐵」則令列車浮起。 當吸引力與列車重力平衡，列車就可懸浮在導軌上方的一定高度上。只要改變電流，就能夠改變磁感應強度，使懸浮的高度得到調整。由於列車被浮起，就不會和軌道產生摩擦力，亦解釋到為何磁浮列車比傳統輪式列車有更高速度。 磁浮列車與數學 明白了磁浮列車的原理，現在不妨透過數學計算，了解一下磁浮列車究竟有多快。 ▲SMT來往上海浦東國際機場及龍陽路站（接駁上海地鐵）。 題目1︰磁浮列車以300公里每小時的車速由浦東國際機場站前往龍陽路站，約需6分鐘，問磁浮列車行駛了多少公里？ 300 / 60 = 5公里每分鐘 5 x 6 = 30公里 即磁浮列車行駛了30公里。 ▲可以見到列車行駛速度在 301km/h，隨時比高鐵更快。 題目2︰磁浮列車在上午9時至10時45分，以及下午3時至3時45分，均以430公里每小時的車速行駛，問由機場前往市區需用約多少分鐘？ 430 / 60 = 7.2公里每分鐘 30 / 7.2 = 4 分鐘 ▲SMT時間表。 不過若細心留意以上的行車時間表，可以發現由機場前往市區最快的兩個時段（即上午9時至10時45分，以及下午3時至3時45分），只需用約 4 分鐘的車程，但為何列車全程的實際所需要的時間不是4 分鐘，而是8分鐘呢？ 這是因為以上計算是假設列車一開始的車速是固定，而列車實際行駛時是由靜止開始加速至指定時速，以及由指定時速減速到停止均需要時間。 ▲停泊於上海浦東國際機場站的SMT。 磁浮列車中還有很多不同的STEM元素，只要多思考、多聯想、多閱讀相關圖書及多進行相關實驗，就能繼續發掘很多不同的STEM應用。 內容提供︰STEM Sir 刊載於︰GRWTH app