高速铁路是一种先进的交通工具。它跑得很快。它让人们的出行变得方便。中国的高铁修了很多。高铁技术一直在进步。高铁的轮子很重要。轮子要和轨道好好配合。这样高铁才能安全地跑。

高铁的轮子叫车轮。轨道叫钢轨。车轮和钢轨接触的地方叫踏面。踏面不是平的。它有一点点斜。钢轨的顶面也不是平的。它有一点点圆。车轮踏面和钢轨顶面接触的地方很小。就是一条线。或者一个小点。这个地方要承受很大的力。高铁很重。跑得很快。这个接触地方的力非常大。

这个接触地方会产生应力。应力就是单位面积上的力。应力太大会让材料坏掉。车轮会坏。钢轨也会坏。我们要知道这个应力有多大。我们要保证应力不太大。这样高铁才能安全跑。

计算这个应力很难。因为接触地方太小。形状很复杂。力又很大。人们想了很多办法来计算。有人用数学公式算。数学公式很复杂。要算很久。现在很多人用电脑算。电脑算得快。电脑用一种方法叫有限元法。有限元法把车轮和钢轨分成很多小格子。一个小格子叫一个单元。电脑算每一个小格子的受力。然后把它们加起来。就算出了整个的应力。

我们要做一个模型。这个模型包括车轮和钢轨。车轮是圆的。钢轨是长的。我们把它们画在电脑里。我们要给它们材料属性。材料属性就是材料的特性。比如钢铁的弹性模量。弹性模量表示材料硬不硬。钢铁很硬。弹性模量很大。还有泊松比。泊松比表示材料往一边压的时候另一边会不会鼓起来。钢铁的泊松比是零点三。

我们要在车轮上加重量。高铁的车轮承受车身的重量。我们把重量变成力。加在车轮的轴上。车轮要压在钢轨上。钢轨被压在下面的路基上。路基我们不用全画出来。我们只画钢轨的一小段。我们在钢轨的底下固定住。这样钢轨就不会动。

电脑开始算。算的时候车轮会转。车轮在钢轨上滚。我们让车轮滚一点点。算一下应力。再滚一点点。再算一下应力。我们看车轮滚的时候应力怎么变。我们特别关心接触地方的应力。我们看应力最大的地方在哪里。我们看应力最大的值是多少。

我们改变一些条件。比如车轮踏面的形状。踏面磨久了会变样子。我们看不同样子的踏面对应力的影响。我们看钢轨顶面的样子。钢轨用久了顶面也会变。我们看不同样子的钢轨对应力的影响。我们看车轮上重量的大小。重量大力就大。应力就大。我们看车轮跑的速度。速度大力会变吗？我们也要看看。

算出来的应力我们用图表示。图上用颜色表示应力大小。红色表示应力很大。蓝色表示应力很小。我们一看图就知道哪里应力大。我们看到接触的地方有一条红红的线。这就是接触应力。我们看到在接触地方的下面，材料里面也有应力。里面的应力有时候更大。材料可能会从里面开始坏。我们要小心。

我们比较不同的情况。我们发现踏面磨得多的时候接触地方会变大一点点。应力会变小一点点。这是好的。但是踏面磨得太厉害车轮会晃动。晃动不好。我们发现钢轨顶面磨平的时候接触地方会变宽。应力会变小。但是钢轨磨得太厉害车轮容易打滑。打滑不好。我们发现重量大的时候应力很大。重量增加一倍应力差不多也增加一倍。我们发现速度高的时候应力也会大一点点。但是影响没有重量那么大。

我们知道了这些规律。我们就可以设计更好的车轮和钢轨。我们可以规定车轮踏面磨到什么程度就要修。我们可以规定钢轨磨到什么程度就要换。我们可以告诉人们高铁不能装得太重。我们可以保证高铁跑得安全。

高铁的车轮和钢轨用很好的钢铁。这种钢铁很结实。不容易坏。它能承受很大的应力。但是再好的钢铁也会累。应力一直变来变去材料会累。就像你弯一根铁丝。弯来弯去铁丝就断了。材料累了就会产生小裂纹。小裂纹慢慢变大材料就坏了。我们要算算材料的疲劳寿命。疲劳寿命就是材料能坚持多久不被累坏。

我们根据算出来的应力算疲劳寿命。应力大疲劳寿命就短。应力小疲劳寿命就长。我们算出来高铁的车轮和钢轨能用很多年。但是我们要经常检查。看看有没有小裂纹。一有小裂纹就要处理。不能等它变大。

人们还在研究更好的方法。有人在做实验。实验就是真的用车轮压钢轨。他们用机器压。机器上有力传感器。力传感器能测出力的大小。他们用应变片。应变片能贴材料上测出材料的变形。他们用显微镜看材料表面。看有没有小裂纹。实验的结果和电脑算的结果比较。看看是不是一样。差不多一样就说明电脑算得对。不一样就要找原因。可能电脑模型哪里没设对。

实验要花很多钱。要很多时间。电脑算比较便宜快。所以人们喜欢先用电脑算。再用实验验证。这样又快又好。

高铁技术会越来越好。车轮和钢轨的应力研究会越来越深。人们会找到更耐磨的材料。人们会设计出更合理的形状。应力会变小。疲劳寿命会变长。高铁会更安全。跑得更久。

人们坐高铁去很远的地方。高铁又快又稳。人们坐在车里很舒服。人们不知道车轮下面有很大的应力。科学家和工程师知道。他们在努力工作。他们计算。他们实验。他们保证每一个零件都可靠。他们保证每一次出行都安全。