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某天下班,你拖着疲惫的身体挤上地铁,脑海中还在回忆着今天的琐事。坐下后,你不由自主地打了个哈欠,感觉眼皮沉重得快要合上。
忽然,车厢内仿佛启动了一个巨大的鼓风机,猛烈的风迎面扑来,瞬间让你清醒了几分。这时你不禁开始思考:为什么地铁车厢内部的风这么大呢?
中南大学和湖南大学等高校与机构合作的研究显示,地铁车厢内部的风速通常在0.1到1.5米/秒之间,最高可达3.96米/秒,风力相当于三级风,可以直接把旌旗吹开[1][2]。
那么,这股风从何而来呢?
当地铁列车在狭长的隧道中高速行进时,由于列车与隧道壁之间空间狭窄,列车头部推挤的空气不能完全绕过列车流向后方。列车前方空气被不断压缩,形成正压;后方空气被拉动,形成负压,前后产生压力差,带动气流流动,形成活塞风[3]。
活塞风可大量引入新鲜空气,排除隧道内余热,为乘客提供充足的氧气 / 图虫创意
形象点说,当地铁高速行驶时,它像是一把无形的梳子,梳理着前方和后方的空气,造成一种前压后吸的现象。也有点像家中的吹风机对着墙吹时,风沿着墙面流动,形成明显的气流。
例如,当一列地铁列车以90公里/小时(25米/秒)的速度行驶时,在较宽的双轨隧道中活塞风可能达到6米/秒,在狭窄的单轨隧道中,气流速度可能达到10米/秒,足以摇动小树[2][4]。
活塞风不断向前推挤空气,形成一连串的压力波。就好像,你在一个充满气球的房间里,当你推动一个气球时,它可能会碰到其他气球或者墙壁,然后改变方向。同样,压力波在遇到隧道中的障碍物时也会改变方向。有时,这些波可能会在某些区域聚集,形成高压区;有时它们可能会分散开,形成低压区[5]。
气压的差异促使空气从高压区流向低压区,压力差越大,空气流动越快,风速也就越大[6]。这种复杂的空气流动模式会持续加剧风速。
地铁的钢轨与车身主要由不锈钢制成,主要金属成分为铁,并含有铬、镍、碳等元素 / 图虫创意
那这股复杂强大的气流是如何进入车厢内部的呢?这就不得不提车厢的气密性了。
地铁的气密性并不是无坚不摧,相反,这些复杂的气流通过车厢的缝隙,如车门、窗户和通风系统的缝隙,进入车厢内部,可谓是“无孔不入”[7]。
这种现象在老旧的地铁线路中尤为明显,由于使用时间久,气密性变差,导致乘客感受到更强烈的风速冲击。此外,空气涌入还可能携带隧道内的灰尘和杂物,影响车厢内的空气质量[8]。
一项2021年发表的分析报告显示,上海、杭州、武汉等城市的地铁站中,PM2.5日平均浓度都超过了30微克/立方米,是世卫组织给出标准的两倍多[9]。
研究发现,地铁站的建成时间越长、位置越深,内部空气污染也就越严重 / 图虫创意
同时,列车加速度越高,车厢内的风速也就越强。这是因为在列车加速阶段,车厢内的空气被惯性力推向车厢后部;在减速阶段,惯性力则会减弱空气流动的速度[1]。
例如,在长沙地铁6号线的实地测量中,列车在加速阶段,车厢内的空气流速达到最大值,最高风速为2.37 ± 0.12米/秒。直到列车速度降至约为最快速度的45%时,风速达到最低点[1]。
当遇到早晚高峰,车厢内部拥挤时,空气的流动受阻,导致风速相对较低;相反,当乘客较少时,空气流动更自由,导致风速更高[10]。因此,人员的密度也为车厢内的“强风吹拂”提供了一部分助力。
那风速是否和地铁车厢内部的空调系统有关呢?答案是肯定的。地铁车辆空调系统包括空调机组、通风系统(送风系统、排风系统),当外部空气经过空调机组降温或加热后,通过送风系统送到客室内部;一部分空气在回风过程中由排风系统排出车外,等量的新鲜空气通过机组新风口源源不断进入客室内[11]。
因此地铁本身的空调系统送风进入车厢,会在一定程度上增强车厢内的气流速度。发表在《国际通气杂志》的一项研究表明,在伊朗德黑兰地铁列车行进过程中,与没有空调的情况相比,空调模式下的通风效应更强[12]。
所以,下次当你在地铁上,一阵强风突然吹乱你的头发,或者让你无法站稳时,请尽情感受吧,就好像孙燕姿唱的那句歌词:“我听见风来自地铁和人海。”
撰文 / 敬欣