童话中才会出现的隧道,火车行驶竟然不需要动力

时间:2023-11-17 04:59:02

很早以前,圣彼得堡曾经出版过一部科幻小说,书名很奇怪,叫《圣彼得堡与莫斯科之间的自动地下铁路》。这只有3章的内容。作者在提出了一个非常聪明的规划,只要对物理学中奇怪现象感兴趣的人,都对这个规划很好奇。

作者的计划是:挖掘一条长600千米的隧道,用一条笔直的地下管道把俄国的新旧两个首都连接起来。这样的话,人们就不用走弯路(地球表面是弧形的)了,只需在笔直(隧道是地面的一条弦)的道路上行进就可以了。人类以前从来没有这样做过,这是第一次。

童话中才会出现的隧道,火车行驶竟然不需要动力

图 如果在圣彼得堡与莫斯科之间挖掘一条隧道,那么不需要火车头,火车靠自身的重量就可以在其中来回行驶。

如果这样一条隧道真能被修造出来的话,它将拥有一个特性,一个世界上其他任何一条道路都没有的特性:在这样的道路上,任何车辆都能自己行动。上文中,我们介绍了穿越地心的“无底洞”,大家不妨回想一下。这条从圣彼得堡通往莫斯科的隧道,其实也是一个无底洞,只不过它是沿着一条弦而不是沿着地球的直径挖掘的。如图所示,大家可能会认为,这个隧道是水平的,利用重力的话,火车一定不可能在里面行驶。其实,这是一种错觉。大家可以通过想象着画两条地球半径,这两条半径朝向隧道的两端,而半径的方向是垂直的,这样一画就一目了然了,你会明白隧道和垂直线之间是倾斜的,并不是成直角的。

在这样一个倾斜的隧道里,任何物体都可以在重力的作用下紧贴隧道底部来回移动。隧道里如果有铁轨,火车就可以在里面滑行,车身的重量就可以成为牵引力,取代火车头的功能。火车在开动时,可能会行驶得比较慢,但随后速度会逐渐加快,不久就会快到令人难以想象的程度(我们暂且不考虑空气的阻力,只对火车的运动进行研究)。在接近隧道中点的时候,火车的速度会变得极大,甚至比炮弹还要快几倍!这样的速度差不多就可以使火车到达隧道的另一端了。如果没有摩擦力,“差不多”3个字也可以去掉了。那么,即使没有火车头,火车自己也能从圣彼得堡开到莫斯科。

而且有一点很奇怪,火车从隧道走一趟所需要的时间也是42分12秒,和物体穿过“无底洞”所需要的时间是一样的。也就是说,火车行驶所花费的时间竟然与隧道的长短没有关系。不管是从圣彼得堡到莫斯科,还是从莫斯科到海参崴,又或者是从莫斯科到墨尔本,火车所需要的时间都是一样的!另外,还有另一个与“无底洞”相关的奇怪现象:物体在无底洞里往返所需要的时间只与行星的密度有关,跟行星的大小无关。不仅如此,不只是火车,其他任何车辆,比如,马车、汽车等,它们通过隧道需要的时间都是一样的。虽然这样的隧道并不像童话中经常描写的那样自己会飞、会移动,但是不管采用什么交通工具,它们都可以以难以想象的速度,从道路的一端飞驰向另一端!