几千吨的火车，怎么跑得飞快？

一列货运火车能有三四千吨重——按一头大象 4 吨算，相当于一千头大象排队跑，可它偏偏能跑得飞快。秘密不在嗓门大，而在两样不起眼的东西：钢铁的车轮，和钢铁的轨道。

钢轮压在钢轨上，接触的地方只有指甲盖那么小——钢对钢，两者几乎都不变形，所以滚起来轻得出奇：滚动阻力系数只有卡车的几分之一。卡车就费劲多了：软软的橡胶轮胎每转一圈，胎体自己都要在触地的地方被压扁、再弹回来，反复变形、发热，力气白白花掉一部分。铁路省下的力气，都拿去拉货拉人了。

可是又重又快，惯性就大得吓人。按这台演示实验台的条件（同一种列车、固定减速度），从一百多的时速到完全停下要滑出去一公里上下；真实的制动距离随速度、载重、线路和天气不同，但有一点不变：等看见红灯再开始刹车，多半来不及。所以铁路的信号要提前好几公里预告：远处一盏黄灯提醒“前面准备停”，司机早早收力，稳稳滑进站台。

火车还有个最聪明的发明，藏在车轮的形状里：车轮不是圆柱，而是两个圆锥背靠背。同一根轴上两个轮子转得一样快；可外侧车轮滚到粗的一头，每转一圈滚得更远，内侧车轮落在细的一头，每圈滚得更近。一粗一细自动补上内外圈的长度差，轮对因此能自己顺着弯道走。不过横移是有限度的：弯太急、需要的横移超过轮缘限位时，这套理想的无滑动图景就不够用了，还要靠轮缘、转向架和整条线路一起配合。

至于力气，铁路边一排排杆子拉着接触网，电力机车支起受电弓贴上去取电，喂给车轮旁的电动机；没有电线的地方，内燃机车自己烧柴油发电，最后干活的常常还是电动机。

更细的操作

1. 刹车距离实验台。 拖“载重”：标尺几乎不动；拖“速度”：快一倍，滑四倍。想想为什么信号灯要提前那么远。
2. 锥形轮实验台。 调弯道半径，看轮对自动向外滑：外轮半径变大、内轮变小，每圈多走的距离正好补上弯道内外圈的长度差。
3. 供电实验台。 在“接触网取电”和“内燃自己发电”之间切换，看能量从哪儿流到车轮。

先猜一猜：装一倍重的货，刹车距离会怎样？——在这台固定减速度的演示实验台里，几乎不变：重力变大了，能用的摩擦力也按比例变大，真正决定距离的是速度。真实列车会按载重调整制动力，别把这个结论带出实验台。

刹车靠摩擦把动能耗掉：动能 ∝ mv²，可用的摩擦力 ≈ μmg。质量 m 同时出现在“要停的能量”和“能用的摩擦”里，一除就消掉了——距离只看速度（v²/2μg）。火车限速那么严格，正是因为距离随速度的平方增长。

锥形踏面让轮对在直线上一边滚一边轻微左右摆，像蛇行——这既是自导向过弯的来源，也是高速列车要精心抑制的振动（临界速度）。现代高铁用磨耗形踏面和转向架悬挂把蛇行压住。本演示的锥度和轨距都放大了，但读出的半径差是按真实几何算的。

电动机起步扭矩大、不冒烟、好控制，还能把刹车能量部分回馈电网。电气化铁路每公里要架接触网和变电所，前期很贵，但运量大的线路算总账更划算——这就是干线铁路拼命电气化的原因。城市里的近亲见「有轨电车」和「地铁」。