高速列车会“吸人”吗

摘   要：针对“高速列车会吸人”这一经典认知误区，在对伯努利方程剖析的基础上，指出用伯努利原理解释该现象的错误之处。查阅专业文献，分析了高速列车对人的空气动力，发现高速列车不仅会“吸人”还会“排斥人”，但吸力和排斥力有限，并不是最大的危险来源；根据实验，时速120 km/h的列车并没有将人吸向列车，而是会带动气流将人向前“推”倒，这才是主要的安全威胁。

关键词：列车；吸人；伯努利原理；机械能守恒

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0070-3

中学阶段通常认为高速行驶的列车会带动其周围的空气高速流动，根据伯努利原理便可得出列车附近压强小，人如果比较靠近列车则会被“吸”过去。然而，事实真的如此吗？这就需要对伯努利方程的本质以及高速列车周围的流场进行剖析。

1    对“列车吸人”现象的认知误区

1.1    “列车吸人”现象的经典解释

“列车吸人”现象指列车高速行驶时会将站台上比较近的人“吸”向列车。据说站台上安全线就与此现象有关。

当前，对“列车吸人”现象的经典解释为：高速行驶的列车会带动其周围的空气高速流动，根据“流体在流速大的地方压强小”可得，越靠近列车空气压强越小，因此图1中站台上的人与列车之间的空气流速大、压强小，人后面远离列车的地方空气流速小、压强大，于是人就受到一个指向列车的力，所以人就会被“吸”向列车。

然而，事实真的如此吗？这就要对伯努利方程进行剖析。

1.2    伯努利方程的本质及适用条件

伯努利方程是由机械能守恒推导得出的理想流体定常流动能量方程。如图2所示，对于流管中流动的理想流体，若流体的机械能守恒，则在流线的前后两处有p+ρv+ρgh=p+ρv+ρgh，这就是伯努利方程。其中，p表示流体的静压（也是单位体积流体的压强势能），v表示流体的流速，h表示流体的高度。也可以将伯努利方程表述为：p+ρv2+ρgh=C（C表示常数）。当流体的高度变化可以忽略时，方程就变成了p+ρv2=C［1］，其物理意义为：当理想流体只在自身压力差的作用下等高流动时，流体的动能和压强势能可以互相转化，流体的机械能守恒。根据这个方程可得出“流体在流速大的地方压强小”，这就是伯努利原理［2］。

由于伯努利方程是由机械能守恒推导出的，所以必须满足以下限制条件：①同一流线。压强的比较只能在同一流线上，不能跨流线比较。②不可压缩。压力做的功不能通过压缩转化为内能，否则流体的机械能不守恒。③无粘滞性。流体的机械能不能被滞性效应（摩擦效应）损耗。④定常流动。流场中任意一点p，v，ρ都不随时间的变化而变化，除重力外，不能有其他外力对流体做功［3］。伯努利原理的严谨表述为：对于无粘、不可压缩、定常流动的流体，在同一流线上流速大的地方压强小。

1.3    不能用伯努利原理分析“列车吸人”现象

首先，空气是有粘性的，这就使得伯努利方程的限制条件③不成立。由于粘性，列车会“拖动”气流并对气流做功，气流的机械能会变大，伯努利方程不成立。再者，图1中人前方的气流和后方的气流并不在同一流线，跨流线比较压强违反了限制条件①。因此，不能用伯努利原理解释所谓的“列车吸人”现象。

气流是被列车拖动、做功而被加速的，此过程气流的压强不变，只是动能变大了。此过程不涉及到压强势能和动能的互相转化，气流因为被拖动、被做功而机械能变大。

列车行驶时会扰动其周围的空气并对附近的人有复杂的空气动力，这要用更复杂的理论具体分析。

2    高速列车对附近人的空气动力

关于高速列车是否会“吸人”，国外的一档科普节目《流言终结者》进行了实验，根据其实验，时速120 km/h的列车并没有将“人”吸向列车，而是会将人向前推倒；列车带动的、平行于列车的气流将人沿着列车前进的方向猛烈地“推”倒。

图3为仿真模拟的160 km/h 时速行驶的动车组列车侧面的压力系数（流体力学中通常将流体的压强称为压力）分布。压力系数是一个无量纲数，它描述的是相对压强，压力系数为零表示此处压强与自由流体压强相同，压力系数为负值表示此处压强小于自由流体压强，压力系数为正值表示此处压强大于自由流体压强。由图3可以看出，低压区主要在车头和车尾，车身处压强降低得非常少［4］。

从图3可以发现，车头侧面的压力一开始是“正压”，然后迅速变为“负压”。这是因为列车高速驶过时，车头正前方（鼻尖处）的空气被挤压并向前推，所以车头侧面的压力就是正压，并对人形成一个“外推”力；车头两侧的空气在压力差的作用下，会加速向后“绕过车头”，流体力学中气流转弯时通常会在气流内侧形成负压区，所以会对人形成一个“内吸”力，如图4中箭头所示［5］。图5是用 FLUENT 仿真模拟得出的无风环境下动车组列车以250 km/h直线运行时车头和车身压力分布云图［6］，由图5可以看出车头正前方（鼻尖处）压强最大，车头的弧顶部压强减到最小，这与前述分析的结果相同。科普节目《流言终结者》中并没有观察到人被“排斥”或“吸引”，可能是因为两者切换得非常快，且持续时间都很短，使得最终人既没有被“排斥”，也没有被“吸引”。

根据图3，车身处空气压强虽然比大气压略低，但远没有车头与车身衔接处那么低。这是因为在车身处周围气流被列车“拖着”前进（图4），虽然动能变大，但压强势能不变，因为动能变大不是源于压强势能的转化。但由于被拖动的气流亦会将附近的空气卷入并带走，周围空气补充没那么及时，导致车身周围气压会略微降低。这种气压降低与伯努利原理中“压强势能转化为动能”导致的压强降低有本质区别。列车周围空气被“卷吸带走”而形成的“吸力”极其微弱，反倒是随列车一起前进的气流会给人一个相当大的前推力（图6中大箭头所示）［5］，这个力会使得人向列车行驶的方向摔倒，这与科普节目《流言终结者》中的实验结果吻合。

在车尾与车身的衔接处（车尾顶部、弧顶过渡处），也会形成一个低压区，这是因为气流要转弯绕过弧顶，所以压强降低。现实中列车尾流较复杂，会存在一些漩涡，使得车尾鼻尖处气压回升，此处不具体介绍。因此，车尾处气流对站台上的人不仅会向前“推”，还会略微向里“吸”，如图7中大箭头所示。

3    结论与建议

高速列车“吸人”并不完全正确。当列车高速行驶时，车头对站台附近的人会先“排斥”后“吸引”，车身对人的“吸引”小到可以忽略不计，车尾对人也有一定的“吸力”。“吸力”的形成也不能用伯努利原理解释，因为此时伯努利方程的限制条件没有得到满足，伯努利方程不成立。现实中，相对于气流的“正推力”而言，“吸力”和“排斥力”很多时候并不是最大的安全威胁，“正推力”会将人猛烈地向列车行驶的方向推倒。

要给学生一杯水，教师必须要有一桶水。中学阶段可以不给学生详细介绍伯努利原理的限制条件，但教师应当了解伯努利原理的本质及其限制条件。教师在呈现例子说明伯努利原理时，务必考虑伯努利原理的限制条件。教学可以简化相关知识，但不能指鹿为马。笔者建议对于“列车吸人”现象，应当实事求是，切不可用错误的理论解释。

参考文献：

［1］任少铎.“流速大压强小”中的流速是相对地面的速度吗？——对香蕉球现象的再分析［J］.物理教师，2021，42（4）：63-65.

［2］任少铎.伯努利方程的本质及机翼升力的教学分析［J］.物理教师，2023，44（6）：63-65.

［3］易文彬，孟庆昌，邓辉，等.伯努利方程教学设计中的若干问题［J］.力学与实践，2021，43（6）：967-972.

［4］帅大洲，徐永绥.动车组明线运行外流场数值仿真［J］.机械设计，2020，37（S2）：31-34.

［5］王洪伟.解析流动：画说流体力学［M］.北京：人民邮电出版社，2020.

［6］李学全.高速动车组列车气动特性及安全性分析［D］.大连：大连交通大学，2017.

（栏目编辑    蒋小平）

收稿日期：2023-09-20

作者简介：任少铎（1990-），男，中学一级教师，主要从事初中物理教学研究工作。