Номер 5, страница 98 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

5. Почему в производстве железнодорожных локомотивов (тепловозы, электровозы) не используют легкие сплавы алюминия, широко применяемые в самолетостроении?

Легкие сплавы алюминия не используются в производстве железнодорожных локомотивов (тепловозов, электровозов) по причине принципиально разных задач, стоящих перед самолетами и локомотивами, а также из-за физических и экономических факторов.

Основная причина — необходимость обеспечения большого сцепления колес с рельсами.

Для самолета ключевым параметром является минимальная масса. Чем легче самолет, тем меньшая подъемная сила ему требуется для взлета и полета, и, соответственно, тем меньше расход топлива. Поэтому в авиации широко применяются легкие и одновременно прочные материалы, такие как алюминиевые сплавы (например, дюралюминий).

Для локомотива, напротив, большая масса является необходимым условием для эффективной работы. Его главная задача — тянуть за собой тяжелый железнодорожный состав. Сила тяги, которую может развить локомотив, физически ограничена силой трения сцепления между его ведущими колесами и рельсами. Если сила тяги превысит максимальную силу трения сцепления, колеса начнут проскальзывать (это явление называется боксованием), и локомотив не сможет сдвинуть состав с места или потеряет эффективность в движении.

Максимальная сила трения сцепления ($F_{сцепл}$) определяется по формуле:

$F_{сцепл} = \mu \cdot N$

где $\mu$ — это коэффициент трения сцепления между колесом и рельсом, а $N$ — это сила нормальной реакции опоры, то есть сила, с которой рельсы давят на колеса.

На горизонтальном участке пути сила нормальной реакции опоры равна силе тяжести, действующей на локомотив:

$N = m \cdot g$

где $m$ — масса локомотива, а $g$ — ускорение свободного падения.

Таким образом, максимальная сила тяги локомотива ($F_{тяги}$) не может превышать силу сцепления, которая прямо пропорциональна его массе:

$F_{тяги} \le F_{сцепл} = \mu \cdot m \cdot g$

Из этой формулы очевидно, что для увеличения силы тяги необходимо увеличивать массу локомотива. Использование легких алюминиевых сплавов привело бы к снижению массы ($m$), а следовательно, к катастрофическому падению силы сцепления и тяговых характеристик. По этой причине локомотивы целенаправленно делают очень тяжелыми, используя сталь и чугун. Иногда их массу дополнительно увеличивают с помощью балласта — специальных бетонных или чугунных блоков, размещаемых в раме.

Дополнительные причины:

1. Стоимость. Сталь и чугун значительно дешевле в производстве, чем высокопрочные алюминиевые сплавы, что делает локомотивы из стали более экономически выгодными.

2. Прочность и износостойкость. Стальные конструкции обладают высокой жесткостью, усталостной прочностью и износостойкостью, что критически важно для рамы и ходовой части локомотива, которые испытывают колоссальные статические и динамические нагрузки в жестких условиях эксплуатации.

Ответ: В производстве железнодорожных локомотивов не используют легкие сплавы алюминия, потому что для создания большой силы тяги локомотив должен обладать значительной массой. Большая масса обеспечивает высокое давление на рельсы, что, в свою очередь, увеличивает силу трения сцепления между колесами и рельсами. Эта сила напрямую ограничивает максимальную силу тяги, которую может развить локомотив. Использование легких материалов уменьшило бы массу локомотива и его тяговые возможности, сделав его неспособным водить тяжелые составы. Кроме того, сталь является более дешевым и износостойким материалом для условий эксплуатации на железной дороге.