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如果时常与铁轨为伴 ， 就一定会注意到一个现象 ， 那就是转弯处的铁轨有些不太一样 ， 它是倾斜的 。
小时候最开心的事情就是在寒暑假去爷爷奶奶家里住 ， 他们的家坐落于一个货运火车站之中 ， 所以走铁轨就成为了每天都有的娱乐活动 ， 走得多了 ， 就发现了一个现象 ， 转弯处的铁轨是存在着一定倾斜角度的 。 爷爷年轻时曾经担任过火车的车长 ， 他告诉我这是因为火车需要转弯 ， 但具体火车转弯与铁轨倾斜之间存在着怎样的联系 ， 他就说不清了 。
那么 ， 转弯处的火车轨道到底为什么是倾斜的呢？任何一个移动中的物体 ， 人、自行车、摩托车或者是汽车 ， 如果想要转弯 ， 都需要一个向心力 ， 而对于大多数移动中的物体而言 ， 要获得这个向心力并不是什么难事 。 它们只需要让自身有所倾斜便可以了 。
一个位于地面之上的物体会给地面施加一个重力 ， 同时又会受到地面的支撑力 ， 这个重力与地面的支撑力是大小相等、反向相反且共线的 。
当这个物体倾斜的时候 ， 重力与支撑力仍然是大小相等、反向相反的 ， 但却不共线了 。 因为倾斜的时候 ， 物体的重心偏向了倾斜的一侧 ， 所以对地面施加的重力就是从重心到地面 ， 而地面所提供的支撑力是在物体与地面接触的位置 ， 当一个物体受到两个相反方向且不共线的力时 ， 它就会转 。
此外 ， 由于物体转弯时的向心力与物体的速度是呈现正比关系的 ， 所以物体的速度越快 ， 转弯时所需要倾斜的角度就越大 ， 否则就会发生翻转 ， 所以我们在走路和跑步的时候 ， 能够明显感觉到转弯时身体倾斜的角度不同 ， 更为明显的例子是摩托车比赛 ， 转弯时车手和赛车基本上都快贴到地上了 ， 这一行为的专业术语被称之为“压弯” 。
明白了物体是如何转弯的 ， 我们就可以回来说说火车的轨道了 。 人也好、摩托车也好 ， 想要转弯 ， 只需要倾斜就好 ， 可火车这个东西似乎没有办法倾斜 ， 既然火车本身不能倾斜 ， 那么就只好让轨道倾斜了 。
当火车在倾斜的轨道上行驶的时候 ， 会向正下方施加一个垂直于地面的重力 ， 但由于轨道本身是倾斜的 ， 所以轨道提供给火车的支撑力并不是垂直向上的 ， 而是垂直于倾斜面的 ， 此时的重力与支撑力不仅不共线 ， 连方向也不是完全相反的 ， 所以两个力就会产生一个合力 ， 这个合力就给火车提供了转弯所需的向心力 。 明白了火车转弯处的轨道为什么是倾斜的 ， 我们再来说说火车另一个不为人知的秘密 ， 就是它只能按照设计速度行驶 ， 也就是说一辆火车可以开多快 ， 在铺设铁轨时就已经决定了 。
很多人可能以为 ， 火车可以像汽车那样 ， 想开多快就开多快 ， 想开多慢就开多慢 ， 这一切全部由火车司机决定 ， 实际上并非如此 ， 火车必须按照设计速度行驶 ， 快也不行 ， 慢也不行 ， 这是为什么呢？
其实答案还是和火车转弯有关 ， 我们知道火车转弯依靠的是倾斜的铁轨所产生的向心力 ， 而提供向心力的这个合力的大小是多少呢？这个合力的大小就是重力乘以重力的正切分量 ， 如果我们假设轨道的倾斜角度为A ， 那么这个合力的大小就是mg*tgA 。 如果你不明白这个算式也不要紧 ， 因为这不是重点 。 重点在于 ， 这个合力是等于向心力的 ， 而向心力就是mv∧2/R ， 这里的v是火车的速度 ， R是转弯半径 。
合力等于向心力 ， 也就是说mg*tgA=mv∧2/R ， 现在重点来了 ， 火车轨道转弯处的倾斜角度A是已经固定的 ， 不会变化 ， 也无法变化的 ， 所以mg*tgA是一个定值 ， 因此mv∧2/R也只能是一个定值 ， 所以速度v也就只能是一个定值 ， 因此在设计的时候 ， 轨道转弯处的倾斜角度是多大 ， 就决定了火车的设计速度是多少 ， 而未来火车就只能以这个设计速度行驶 。
【向心力|铁轨转弯处是倾斜的，火车只能按设计速度行驶，这是为什么？】那么如果火车不按照设计速度行驶 ， 会怎么样呢？如果火车不按照设计速度行驶 ， 那么合力与向心力就不一样大了 ， 所以如果火车速度比设计速度快 ， 火车就会向外甩 ， 如果比设计速度慢 ， 就会向内甩 ， 当然 ， 由于火车车轮有轮缘的存在 ， 所以不会脱轨甩出去 ， 但会给铁轨造成挤压 ， 长此以往 ， 铁轨就变形了 ， 所以火车还是要按照设计速度行驶才好 。
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