图1车厢内乘客受力分析图
由于车厢内乘客所受惯性力
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与重力的合力F1的模大于支持力Fn与阻力f阻的合力F2的模,此时乘客无法保持平衡,此时如果我们假设将车厢底向前翘了β度角,如图所示,使乘客所受惯性力与重力的合力F1的方向垂直于车厢底,那么乘客将可以保持平衡。我们知道人本能的可以根据坡度来调整人体重心来保持平衡,而现实中无法实现将车厢底向前翘β度角的要求,所以我们可以通过控制列车的加速度到达a的时间t来保证乘客身体的平衡。
根据公式
(5)
可知β度角对应加速度a,而该加速度a与时间t的比值就对应列车的加加速度j。如图1所示,现在我们用翘翘板来代替车厢地板,让体验者作为乘客坐在翘翘板一端,实验者在翘翘板另一端用力转动翘翘板,记录完成β度角转动的时间t,询问体验者能否保持平衡,改变时间t并找不同的体验者重复实验,统计时间t和体验者的感受,找出恰不能保持平衡的时间t,这样就能找到翘翘板转动角速度于体验者能否保持平衡之间的关系了。
通过查阅相关资料可以知道有关普通客运列车、动车组、磁悬浮列车加速过程的加速度,如下表:
表1各式列车加速度
轨道列车 加速度
普通客运列车 0.2~0.3m/s2
动车组 0.5~0.7m/s2
磁悬浮列车 0.8~1.5m/s2
知道了列车加速度,就可以根据公式(5)计算出β角,再对(5)式两端分别求时间t的导数得
(6)
其中dβ/dt是角速度,a/dt是加加速度。因为根据各列车的加速度计算得出的β角很小,所以sec2β≈1,这样加加速度j就正比于角速度,如果我们知道加速的时间t,根据角速度ω也就知道了加加速度的大小了。
现在我们让翘翘板在一系列时间t内转动β角,找出临界时间t使坐在翘翘板另一端的体验者恰不能保持平衡,计算出临界角速度ω,这样就知道了在体验者保持平衡的前提下的适当转动角速度ω,同时也就知道了在保证乘客能很好保持平衡的前提下的适当加加速度了。