Добавь сайт в закладки нажми CTRL+D
Представьте себе локомотив массой 100 тонн. На ровном пути он может двигаться почти без проблем. Трение качения у рельсовой пары ничтожно мало. Но стоит пути пойти вверх, и локомотиву нужно поднять всю эту массу против силы тяжести.
На уклоне 1:100 (одна единица высоты на сто единиц длины, то есть около 0,57°) сила, тянущая состав назад, составляет примерно 1% от его веса. При уклоне 1:35 — это уже почти 2,9%. Казалось бы, совсем немного. Но именно здесь в игру вступает сцепление колес и рельс.
Тяговая сила локомотива передаётся через пятно контакта колеса с рельсом. Это пятно размером примерно с мыльницу. И если необходимая для подъёма и движения сила превышает то, что это крошечное пятно способно передать без пробуксовки посредством трения, колёса начинают вращаться впустую.
Локомотив буксует на месте, как машина на льду, только вот остановиться будет намного труднее. За ним несколько сотен тонн груза.
Когда-то эта ситуация именовалась проблемой Лики в честь одноименного подъёма.
В 1840 году Бирмингемское плато встало на пути строителей, им пришлось проложить около километра пути с уклоном 1:37,7. По меркам тех времён это было безумием.
Уклон 1:37 означает, что на каждые 37 метров пути путь поднимается на один метр. Угол выходит около 1,5°. Звучит очень умеренно. Даже почти незаметно для нас. Но для парового локомотива с составом из десятков гружёных вагонов это была почти стена.
Когда паровоз пыхтел в подъём и скорость падала до пешеходной, машинисты прибегали к логичной хитрости. Они набирали максимальный ход ещё внизу, разгонялись и буквально штурмовали склон по инерции.
Решением проблемы в итоге стала «Большая Берта» — паровоз-помощник. Официально он имел колёсную формулу 0-10-0 (десять движущих колёс, без тележек), и эта экзотическая колёсная формула выдавала максимально возможное сцепление при минимальном осевом давлении. Берта толкала поезда сзади, давая им необходимый импульс для преодоления горы. В какой-то степени это уже нарушает ту идею, которую мы обозначили в заголовке. Появляется дополнительный игрок. Но это вполне распространённая практика.
Если взять таблицу уклонов сегодня и сравнить её с тем, что знали инженеры эпохи «Большой Берты», обнаружится интересное. Рекорды существенно обновились.
Для обычных сцепных железных дорог, тех самых, что везут скоростные поезда из Парижа в Лион или из Токио в Осаку, современный потолок примерно 3,5–4%, то есть уклон около 1:25.
Высокоскоростные линии обычно допускают градиент от 2,5 до 4%, потому что поезда должны быть мощными и иметь много ведущих колёс, чтобы достигать очень высоких скоростей. Это, кстати говоря, обусловлено не только тягой, но и торможением. На скорости 300 км/ч уклон вниз становится столь же опасным, сколь уклон вверх.
Городские трамваи и лёгкое метро чувствуют себя обычно свободнее. Уклоны 5% для них не редкость, поскольку все колёса, как правило, подключены к двигателю.
Абсолютным чемпионом среди сцепных систем, то есть без рейки и без канатной тяги (тех самых помощников типа большой Берты), остаётся линия 28 лиссабонского трамвая. На улице Калсада-ди-Сан-Франсишку зафиксирован уклон 1:7,2 (13,8%), что соответствует примерно 7,9 градуса.
Впрочем, если мы уж опять стали говорить про помогаев движения, то зубчатая рейка, как и столетие назад, венчает иерархию высот.
Пилатусбан со своими 48% по-прежнему держит мировой рекорд среди зубчатых железных дорог и этот рекорд не побит с 1889 года.
Система Лохера, с горизонтально вращающимися шестернями, цепляющимися за рейку с обеих сторон, оказалась настолько совершенной, что инженеры XXI века предпочли её даже не трогать, а обновили лишь вагоны. В рамках реконструкции около 55 миллионов швейцарских франков было вложено в восемь новых пассажирских вагонов, новый грузовой вагон и другие усовершенствования, однако сама рельсово-зубчатая система осталась практически неизменной.
Можно вспомнить и про ещё один близкий вариант транспорта. Там тоже есть вагоны. Но сцепление колёс там вовсе не участвует в уравнении. Вагон тянет трос. Здесь рекорды обновляются живее. Штосбан в швейцарском кантоне Швиц, открытый в декабре 2017 года, преодолевает максимальный уклон 110% (угол 47,7°) и признан самым крутым фуникулёром в мире согласно Книге рекордов Гиннесса. Тут есть интересное решение. Чтобы пассажиры не сползали из-за огромного перепада высот, цилиндрические кабины гидравлически вращаются в соответствии с уклоном трассы, обеспечивая горизонтальное положение пола даже на самых крутых участках.
Есть ещё один современный, но совсем не подходящий по физике движения вариант поездов. Однако, если это поезда, то давайте и их вспомним. Помните про маглевы? Магнитная левитация стоит особняком, хотя тоже относится к поездам. Здесь и колесо, и рейка исчезают.
Маглев-поезда способны преодолевать уклоны до 10% — вдвое больше, чем обычные поезда. Но это теоретическое преимущество пока почти не реализовано на практике. Маглев требует прямых и ровных путей для поддержания высоких скоростей, что вынуждает строить обширные эстакады и тоннели, делая строительство чрезвычайно дорогостоящим.
По сути, если вернуться к допустимому уклону, который способен взять самый обычный поезд, то мы получим значение около 1:25.
Поделись видео: