Он же поезд на магнитной подушке, он же maglev от английского magnetic levitation ("магнитная левитация") - это поезд на магнитной подвеске, движимый и управляемый силой электромагнитного поля. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является аэродинамическое сопротивление . Маглев относится к монорельсовому транспорту .
Монорельс:
Высокоскоростным наземным транспортом (ВСНТ) называют железнодорожный транспорт, который обеспечивает движение поездов со скоростью свыше 200 км/ч (120 миль/ч). Хотя ещё в начале XX века высокоскоростными называли поезда, следующие со скоростями выше 150-160 км/ч.
Сегодня поезда ВСНТ передвигаются по специально выделенным железнодорожным путям - высокоскоростной магистрали (ВСМ), либо на магнитном подвесе, по которым перемещается выше показанный маглев.
Впервые регулярное движение высокоскоростных поездов началось в 1964 году в Японии. В 1981 году поезда ВСНТ стали курсировать и во Франции, а вскоре бо́льшая часть западной Европы, включая Великобританию, оказалась объединена в единую высокоскоростную железнодорожную сеть. Современные высокоскоростные поезда в эксплуатации развивают скорости около 350-400 км/ч, а в испытаниях и вовсе могут разгоняться до 560-580 км/ч, как например JR-Maglev MLX01, установивший во время испытаний в 2003 году скоростной рекорд - 581 км/ч.
В России регулярная эксплуатация высокоскоростных поездов , по общим путям с обычными поездами, началась в 2009 году. И только к 2017 году ожидается завершение строительства первой в России специализированной высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Санкт-Петербург.
Сапсан Siemens Velaro RUS; максимальная служебная скорость - 230 км/ч, Кроме пассажиров высокоскоростные поезда перевозят и грузы, например: французская служба La Poste имеет парк специальных электропоездов TGV для перевозки почты и посылок.
Скорость "магнитных" поездов, то есть маглевов, сравнима со скоростью самолёта и позволяет составить конкуренцию воздушному транспорту на ближне- и среднемагистральных направлениях (до 1000 км). Хотя сама идея такого транспорта не нова, экономические и технические ограничения не позволили ей развернуться в полной мере.
На данный момент существует 3 основных технологии магнитного подвеса поездов:
Состав левитирует за счёт отталкивания одинаковых магнитных полюсов и, наоборот, притягивания противоположных полюсов. Движение осуществляется линейным двигателем , расположенным либо на поезде, либо на пути, либо и там, и там. Серьёзной проблемой проектирования является большой вес достаточно мощных магнитов, поскольку требуется сильное магнитное поле для поддержания в воздухе массивного состава.
Достоинства маглева:
Недостатки маглева:
Наиболее активные разработки маглева ведут Германия и Япония.
*Справка: Что такое синкансэн?
Синкансэн - так называется высокоскоростная сеть железных дорог в Японии, предназначенная для перевозки пассажиров между крупными городами страны. Принадлежит компании Japan Railways. Первая линия была открыта между Осакой и Токио в 1964 году - Токайдо-синкансэн. Эта линия является самой загруженной высокоскоростной железнодорожной линией в мире. На ней перевозится порядка 375 000 пассажиров ежедневно.
"Поезд-пуля" - одно из названий для поездов синкансэн. Поезда могут иметь до 16 вагонов. Каждый вагон достигает длины 25 метров, исключение составляют головные вагоны, длина которых обычно чуть больше. Общая длина поезда составляет порядка 400 метров. Станции для таких поездов тоже очень длинные и специально приспособлены под эти поезда.
Поезда синкансэн серии 200 ~ E5; фото с Википедии
В Японии маглевы часто называются "риниа:ка:" (по-японски リニアカー), происходящее от английского "linear car" из-за используемого на борту линейного двигателя.
JR-Maglev использует электродинамическую подвеску на сверхпроводящих магнитах (EDS), установленных как на поезде, так и на трассе. В отличие от немецкой системы Transrapid , JR-Maglev не использует схему монорельса: поезда движутся в канале между магнитами. Такая схема позволяет развивать бо́льшие скорости, обеспечивает большую безопасность пассажиров в случае эвакуации и простоту в эксплуатации.
В отличие от электромагнитной подвески (EMS), поездам созданным по технологии EDS требуются дополнительные колёса при движении на малых скоростях (до 150 км/ч). При достижении определённой скорости колёса отделяются от земли и поезд "летит" на расстоянии нескольких сантиметров от поверхности. В случае аварии колёса также позволяют осуществить более мягкую остановку поезда.
Для торможения в обычном режиме используются электродинамические тормоза. Для экстренных случаев поезд оборудован выдвигающимися аэродинамическими и дисковыми тормозами на тележках.
Поездка в маглеве с максимальной скоростью 501 км/ч. В описании указано, что видео сделано в 2005 году:
На линии в Яманаси проходят испытания нескольких составов с разными формами носового обтекателя: от обычного заострённого, до практически плоского, длиной 14 метров, призванного избавиться от громкого хлопка, сопровождающего въезд поезда в тоннель на большой скорости. Поезд маглев может полностью управляться компьютером. Машинист осуществляет контроль за работой компьютера и получает изображение пути через видеокамеру (кабина машиниста не имеет окон переднего обзора).
Технология JR-Maglev дороже аналогичной разработки Transrapid, реализованной в Китае (линия до Шанхайского аэропорта), так как требует больших затрат на оборудование трассы сверхпроводящими магнитами и прокладку тоннелей в горах взрывным способом. Общая стоимость проекта может составить 82,5 млрд долларов США. Если проложить линию вдоль прибрежной трассы Токайдо, это потребует меньших затрат, однако потребует строительства большого количества тоннелей малой протяжённости. Несмотря на то, что сам магнитно-левитационный поезд бесшумен, каждый въезд в тоннель на большой скорости будет вызывать хлопок, сравнимый по громкости с взрывом, поэтому прокладка линии в густонаселённых районах невозможна.
Недавно знаменитый английский писатель-фантаст Артур Кларк сделал очередное предсказание. «...Мы, возможно, стоим на пороге создания космического аппарата нового типа, который сможет покидать Землю с минимальными затратами за счет преодоления гравитационного барьера, - считает он. - Тогда нынешние ракеты станут тем же, чем были воздушные шары до первой мировой войны». На чем же основано такое суждение? Ответ нужно искать в современных идеях создания транспорта на магнитной подушке.
Еще полвека назад магнитная подушка была чем-то из области фантастики. Однако сейчас ученые многих стран работают по созданию транспорта на магнитной подушке. Поезда будущего будут «парить» над землей, они как бы «подвешиваются» к рельсам, или отталкиваются от них, в зависимости от того, какая будет применена система, то есть электромагнитный или электродинамический подвес. В первом случае путь представляет собой стальные рельсы с «подвешенным» к ним экипажем. Во втором случае состав пойдет по металлическому полотну, в котором возникают электрические токи. В качестве тягового механизма в таких поездах будут использованы линейные двигатели.
Следует отметить, что поезд на магнитной подвеске начали эксплуатировать восьмидесятых годах прошлого века в Бирмингеме. Правда, после одиннадцати лет работы этот поезд был снят с линии из-за технических проблем. В настоящее время транспортная система на магнитной подушке действует в Китае, соединяя центр Шанхая с международным аэропортом Пудон. А в Японии экспериментальный поезд на магнитной подушке MLX01 в 2003 году установил абсолютный для данного вида транспорта рекорд скорости, разогнавшись до 581км/ч.
Цель данной контрольной работы – описать основные характеристики транспорта на магнитной подушке и дальнейшие перспективы использования транспорта будущего.
Реализация достижения цели достигается посредством решения следующих задач:
· дать описание теоретических предпосылок к созданию транспорта на магнитной подушке;
· дать описание технических характеристик и перспектив эксплуатации поездов на магнитной подушке;
· дать описание новейших отечественных и зарубежных разработок транспортных средств, функционирующих на основе эффекта левитации.
Буквальное значение слова «левитация» - подъем. По крайней мере, так определяется Британской энциклопедией возможность поднятия какого-либо тела (в том числе и человеческого) без контакта с чем бы то ни было. В технический обиход оно вошло сравнительно недавно, в связи с попытками создания транспорта на магнитной подушке.
Ее суть можно понять из наглядного опыта, часто демонстрируемого в школе. Берут два ферритовых колечка, представляющих собой сильные постоянные магниты, и нанизывают их на стеклянную палочку, поставленную вертикально. При этом верхний из магнитов как бы повисает в воздухе. Однако стоит убрать палочку, и магнитное кольцо перевернется и упадет. Вот почему инженерам приходится прилагать немалые усилия, чтобы стабилизировать магнитную подушку. Вот почему магнитный левитационный транспорт, над которым работают вот уже четверть века, так и не вышел за пределы полигонов.
Тем удивительнее фокус, который продемонстрировал изобретатель-исследователь Александр Кушелев. На столе он разместил керамический магнит от громкоговорителя диаметром 80 мм. Тщательно отъюстировал деревянными клинышками горизонтальность его положения. Прикрыл магнит сверху пластинкой оргстекла, на которой раскрутил самолично сделанный им волчок. И произошло необъяснимое: магнит оторвался от поверхности оргстекла и завис в воздухе.
Секунд через 40 он замедлил свое вращение, потерял устойчивость и кувыркнулся вниз. Объяснить это можно так: волчок тоже магнитный, а вращение за счет гироскопического эффекта стабилизирует его положение точно так же, как упоминавшаяся стеклянная палочка. На вопрос, нельзя ли на основе данного эффекта построить какое-либо левитирующее транспортное средство, Кушелев ответил, что как раз над этим он и размышляет.
Кроме того, магнитную левитацию можно в принципе осуществить и с помощью сверхпроводимости. Если взять сверхпроводник, пропустить через него электроток и поместить над магнитом, то он зависнет в воздухе и будет парить до тех пор, пока не отключат питание. Здесь стабилизация осуществляется как бы сама собой - любое перемещение сверхпроводника вызывает в нем вихревые токи, магнитные поля которых, точно-зеркальные по отношению к полю магнита, загоняют его на прежнее место. Естественно, это справедливо и к любому перемещению магнита (при неподвижном сверхпроводнике). Подобный способ магнитной подвески уже нашел применение в технике при создании сверхточных гироскопов для систем наведения ракет и самолетов. Более того: как выяснилось совсем недавно, использование сверхпроводимости дает уникальный побочный эффект.
Возможно ли укротить гравитацию? В 1996 г. в том убедился физик Джон Шнурер из Эниочского колледжа в Йеллоу-Спринг, штат Огайо. Когда над висящим в воздухе сверхпроводящим диском диаметром в 2,5 см он поместил маленький кусочек пластика, прикрепленный к точным весам, те показали уменьшение веса примерно на 5%. Сначала Шнурер не поверил собственным глазам. Он 12 раз провел эксперимент, прежде чем пришел к окончательному выводу: феномен повторяется регулярно. Тут он вспомнил, что еще в начале 90-х годов подобное же явление заметил наш соотечественник, специалист в области материаловедения Евгений Подклетнов, работавший в то время в Технологическом университете г. Тампере (Финляндия). Но тогда наблюдавшиеся результаты сочли ошибкой эксперимента.
Теперь же аналогичные опыты пытаются воспроизвести в Центре космических полетов имени Дж. Маршала, NASA и еще нескольких государственных лабораториях США. По словам руководителя Отделения перспективных концепций NASA Уита Брэнтли, люди так увлечены исследованиями, что порой тратят собственные деньги на покупку недостающего оборудования. К делу подключились и теоретики. Скажем, итальянец Джиованни Моданези из Национального агентства ядерной физики и физики высоких энергий полагает, что в данном случае мы имеем дело с возникновением «гравитационного экрана». А ведущий специалист Алабамского университета Нинг Ли считает, что при определенных условиях поля атомов сверхпроводника способны так экзотически взаимодействовать друг с другом, что возникает левитация.
Однако существует и другой способ создания левитации. «Одним из направлений дальнейшего поиска станет пересмотр природы тяготения - на базе электромагнитных и электростатических явлений, - полагает кандидат технических наук из подмосковного г. Лыткарино Владимир Пономарев.- Обратить внимание на электростатику заставляет хотя бы уже тот факт, что математические формулировки закона Ньютона и закона Кулона внешне весьма схожи, только в первом выражении в числителе стоят массы взаимодействующих тел, а во втором - их электрические заряды».
Причем при внимательном рассмотрении выясняется, что аналогии идут глубже внешнего сходства. Согласно общепринятым представлениям, явление гравитации основывается на взаимодействии неких квантов тяготения - гравитонов; однако до сих пор никто экспериментально не обнаружил ни их самих, ни излучаемых ими гравитационных волн. А что если гравитоны в какой-то мере тождественны элементарным электростатическим зарядам (назовем их кулонами)?
Такое предположение подталкивает вот к следующим рассуждениям. Поскольку любое тело во Вселенной имеет температуру выше абсолютного нуля, внутри него атомы испытывают тепловые колебания. А эти колебания, в соответствии с принципами электромагнитной теории Максвелла-Лоренца, неизбежно приводят к флуктуации микроскопических поляризованных зарядов. Суммируясь, те и образуют общий заряд. Таким образом, гравитационное притяжение, в принципе, может быть заменено электростатическим. Скажем, система Земля-Солнце находится в равновесии потому, что центробежная сила, бегущей по своей орбите Земли, равна силе взаимного притяжения разноименных электростатических зарядов ее и Солнца. А вот в системе Земля-Луна такое равновесие нарушено. И из-за этого Луна постепенно удаляется от нашей планеты; правда, понемногу - всего на 1,3 см в год.
Использование эффекта левитации на базе электромагнитных и электростатических явлений открывает широкие перспективы на практике. Электростатические поля надо использовать для создания летательного аппарата нового типа, полагает Пономарев. Его движение в околоземном пространстве будет обусловлено взаимодействием электростатических полей планеты и создаваемого в рабочем органе машины.
Пока в аппарате отсутствуют свободные электрические заряды необходимой величины и знака, он покоится на поверхности планеты. Но как только внутри него накапливаются ионы, получаемые ионизированием газа того же знака, что и электростатическое поле планеты, аппарат взлетит. Причем, согласно расчетам В.И.Пономарева, получается, что такая схема, как минимум, на порядок увеличит эффективность летательных аппаратов по сравнению с нынешними самолетами и ракетами. Конструкция такого летательного аппарата вполне может быть применена не только при исследовании малых планет или астероидов Солнечной системы, но и в открытом межзвездном пространстве.
Очередную попытку укрощения левитации предприняли в конце 1997 г. японские исследователи, которые работают по контракту с международной корпорацией «Мацусита». Они решили использовать для создания машины, преодолевающей силу тяжести, обыкновенный гироскоп. Их опыты подкупающе просты. Небольшой гироскоп раскручивают до 18 000 об/мин и помещают в герметичный контейнер, из которого выкачан воздух, и тот сбрасывают вниз. При падении контейнер преодолевает фиксированную дистанцию около 2 м, причем время замеряется точнейшим образом с помощью двух лазерных лучей. Когда пересекается один (старт), запускается электронный секундомер, когда же другой (финиш) - он останавливается.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Поезда на магнитной подушке - это экологический чистый, бесшумный и быстрый транспорт. Они не могут слететь с рельсов и в случае неполадки способны безопасно остановиться. Но почему же такой транспорт не получил широкого распространения, и люди по-прежнему пользуется обычными электричками и поездами?
В 1980-е годы считалось, что поезда с магнитной левитацией (маглевы) это транспорт будущего, который уничтожит внутренние авиарейсы. Эти поезда могут перевозить пассажиров со скоростью 800 км/ч и не наносят практически никакого вреда окружающей среде.
Маглевы способны ездить в любую погоду и не могут сойти со своего единственного рельса - чем дальше поезд отклоняется от путей, тем сильнее его толкает обратно магнитная левитация. Все маглевы двигаются с одинаковой частотой, поэтому не будет никаких неполадок с сигналами. Представьте себе, какой эффект оказали бы такие поезда на экономику и транспорт, если бы расстояние между отдаленными крупными городами преодолевалось за полчаса.
Но почему вы до сих пор не можете ездить по утрам на работу со сверхзвуковой скоростью? Концепт маглевов существует уже более века, еще с начала 1900-х было оформлено множество патентов, использующих эту технологию. Однако до наших дней дожило лишь три рабочие системы поездов на магнитной подушке, причем все они есть только в Азии.
Японский маглев. Фото: Yuriko Nakao/Reuters
До этого первый рабочий маглев появился в Великобритании: в период с 1984 по 1995 из аэропорта Бирмингема ходил шаттл AirLink . Маглев был популярным и дешевым транспортом, но его обслуживание обходилось очень дорого, поскольку некоторые запчасти были единичного производства и их было тяжело найти.
В конце 1980-х Германия тоже обратилась к этой идее: ее беспилотный поезд M-Bahn ездил между тремя станциями западного Берлина. Однако технологию левитирующих поездов решили отложить на потом, и линию закрыли. Ее производитель TransRapid проводил испытания маглевов до тех пор, пока в 2006 году на тренировочном полигоне в Латене не произошел несчастный случай, в котором погибло 23 человека.
Это происшествие могло поставить крест на немецких маглевах, если бы компания TransRapid не подписала до этого договор на строительство в 2001 году маглева для Шанхайского аэропорта. Сейчас этот маглев является самым быстрым электропоездом в мире, который ездит со скоростью 431 км/ч. С его помощью расстояние от аэропорта до бизнес-квартала Шанхая можно преодолеть всего за восемь минут. На обычном транспорте для этого понадобился бы целый час. В Китае есть еще один среднескоростной маглев (его скорость составляет около 159 км/ч), который работает в столице провинции Хунань, Чанша. Китайцы настолько полюбили эту технологию, что к 2020 году планируют запустить еще несколько маглевов в 12 городах.
Канцлер Германии Ангела Меркель первой проехала на маглеве TransRapid до Шанхайского аэропорта. Фото: Rolf Vennenbernd/EPA
В Азии сейчас ведется работа и над другими проектами поездов на магнитной подушке. Один из самых известных - это беспилотный шаттл EcoBee, который ездит от южнокорейского аэропорта Инчхон с 2012 года. На его самой короткой линии расположено семь станций, между которыми маглев проносится со скоростью 109 км/ч. А еще поездки на нем абсолютно бесплатны.
Больше 200 лет минуло с той поры, когда были изобретены паровозы. С тех пор железнодорожный транспорт стал самым востребованным для перевозки пассажиров и грузов. Однако ученые активно трудились над усовершенствованием данного способа перемещения. В результате был создан маглев или поезд на магнитных подушках.
Идея появилась в начале двадцатого века. Но реализовать ее в то время и в тех условиях не удалось. И лишь в конце 60-х – начале 70-х годов в ФРГ собрали магнитную трассу, где и запустили транспортное средство нового поколения. Тогда он двигался со скоростью максимум 90 км/ч и мог вместить только 4 пассажира. В 1979 году поезд на магнитных подушках модернизировали, и он смог перевезти 68 пассажиров, проезжая 75 километров в час. А в то же время в Японии сконструировали иную вариацию маглева. Он разгонялся до 517 км/ч.
Сегодня стремительность поездов на магнитных подушках может составить реальную конкуренцию самолетам. Магнитоплан мог бы серьезно соперничать с воздушными авиаперевозчиками. Единственное препятствие в том, что скользить по обычным железнодорожным путям маглевы не способны. Они требуют особых магистралей. Кроме того, считается, что необходимое поездам на воздушной подушке магнитное поле может оказать неблагоприятное воздействие на здоровее человека.
Магнитоплан не движется по рельсам, он летит в прямом смысле этого слова. На небольшой высоте (15 см) от поверхности магнитной трассы. Поднимается он над треком за счет действия электромагнитов. Это объясняет и невероятную скорость.
Полотно для маглева выглядит как череда бетонных плит. Магниты расположены под этой поверхностью. Они искусственно создают магнитное поле, по которому «едет» поезд. Во время движения нет трения, поэтому для торможения используется аэродинамическое сопротивление.
Если на простом языке объяснять принцип действия, то получится так. Когда пару магнитов приближают друг к другу одинаковыми полюсами, они как бы отталкиваются один от другого. Получается магнитная подушка. А при приближении противоположных полюсов магниты притягиваются, и поезд останавливается. Такой элементарный принцип и положен в основу работы магнитоплана, который движется по воздуху на небольшой высоте.
Сегодня применяются 3 технологии подвеса маглевов.
1. Электродинамическая подвеска, EDS.
Иначе это называется на сверхпроводящих магнитах, то есть на вариациях с обмоткой из сверхпроводящего материала. Такая обмотка обладает нулевым омическим сопротивлением. И если она замкнута накоротко, то электрический ток в ней сохраняется бесконечно долго.
2. Электромагнитная подвеска, EMS (или на электромагнитах).
3. На постоянных магнитах. Сегодня это наименее затратная технология. Процесс передвижения обеспечивается линейным двигателем, то есть электродвигателем, где один элемент магнитной системы разомкнут и имеет развёрнутую обмотку, создающую бегущее магнитное поле, а второй сделан в виде направляющей, отвечающей за линейное перемещение подвижной части двигателя.
Многие задумываются: безопасный ли это поезд, он не упадет? Разумеется, не упадет. Нельзя сказать, что маглев на дороге ничего не удерживает. Он опирается на трек посредством особенных “клешней”, расположенных снизу поезда, в которых и поставлены электромагниты, поднимающие поезд в воздух. Там же расположены и те магниты, которые удерживают магнитоплан на треке.
Те, кто прокатился на маглеве, утверждают, что ничего вдохновляющего не ощутили. Поезд идет настолько тихо, что умопомрачительная скорость не чувствуется. Объекты за окном пролетают быстро, но расположены очень далеко от трека. Разгоняется магнитоплан плавно, так что перегрузок тоже не ощущается. Интересен и необычен только момент, когда поезд поднимается.
Итак, основные преимущества маглева:
Недостатки:
