火車頭要撒砂？摩擦力與阿里山森林小火車

寒假我帶三小孩搭乘阿里山小火車，我們的旅程在另一篇。這個行程對我很刺激，出發前幾天才決定，分二天才湊到四張旅客的退票剩票，座位還分在三節車廂呢！只是，這個媽不想先寫親子遊記，居然還是用"科學眼"看事物... 

我們搭的火車屬於郵輪式列車套裝行程，沿途停靠幾個站，這一站是在竹崎車站。(終點在奮起湖。)

在奮起湖的車庫中，看到了以前小火車車頭，吸引我注意的是車頭前方的二個砂箱(儲砂筒)。

和上方的現代火車頭相比，老火車頭的砂箱明顯掛二側。現代的動力火車頭也需要砂箱嗎？看起來似乎不用。(還是躲在車底某處？)

 
左右各一個儲砂箱，通常是裝在動力輪前方。

 
裡頭真的有沙耶，不是普通隨便的砂，它非常潔白細緻。

解說員說那是白色的「ㄒㄧˋ」 砂。( 矽砂？還是細沙？)

儲砂箱下有一根順勢彎曲的鐵管(撒砂管)對準軌道，沙子就是從這裡漏出來灑到軌道上。

 
砂箱是做什麼用的？簡單地來說是止滑。

專業一點的說法是增加鐵軌與車輪間的摩擦係數。

影響摩擦力的因素 ：

1. 作用於接觸面的力： 接觸面的力愈大，摩擦力愈大，接觸面的力愈小，摩擦力愈小 。
2. 接觸面的性質： 接觸面粗糙則摩擦力大，接觸面光滑則摩擦力小。

雖然火車的鋼輪和鋼軌接觸面之間很光滑，不同於一般車輛的輪胎與地面摩擦力大(抓地力好)，但火車的重量很重，正向力大，與鐵軌間的摩擦力也大，所以行走不成問題。但是當雨天或者坡度較大的時候，就會向軌道上灑砂，來提高摩擦係數，增大摩擦力。

止滑(增加摩擦力)的目的何在？很多人都以為是為了幫助剎車，包含我也是。做了功課才知道，其實也與前進爬坡有關，若是接觸面太光滑，摩擦力不足，就會"打滑"，造成輪子空轉無法前進。找到影響車輪滾動、停止的幾種因素：牽引力、黏著力、韌力

• 黏著力＞牽引力＝空轉
• 韌力＞黏著力＝滑走

這幾個力對我有些陌生，平時俗稱的抓地力是哪一個？另一個解釋比較容易懂：如果車輛的輪子粘著力小，則容易打滑，從滾動變滑動，要知道滑動摩擦力大於滾動摩擦力，這反而不利於牽引。如果車輛的輪子粘著力小，刹車的時候也容易打滑。想知道更深的力學，請見延伸閱讀：https://www.zhihu.com/question/24256663

火車會適時在軌道上倒砂以增加車輪與軌道的摩擦力，提高軌道車輛輪軌之間的摩擦係數。不只幫助煞車，也幫助起步。特別是蒸汽火車頭機動力小，起步扭矩小，不容易起步，所以要在機車輪子下方撒砂。阿里山小火車屬於森林鐵路，有一定的坡度，因此與軌道面之間的摩擦力格外重要。

有些砂是自動控制，根據感測器資料（坡度、轉速等參數）綜合情況自動控制撒沙閥門撒沙。較舊的是人工控制撒沙，由司機(駕駛員)判斷，遇到坡道、雨天鋼軌與火車機車的輪子打滑走不動時，駕駛員通過控制開關向鋼軌上撒一定量的白色細砂，增加輪子與鋼軌的摩擦係數，就可以大力減少機車輪對在雨、雪天爬坡時因粘著力下降容易出現的‘空轉’和制動時產生的滑行，使火車行走自如。正常情況下是不需要撒砂。

找到一篇文章《整備場上的“上砂工”》，介紹負責填充砂的上砂工故事，也提到砂箱對列車行駛的安全問題。http://news.tielu.cn/yixian/2013-03-01/2223.html