Поезд входит в поворот как по рельсам: секрет колёс, о котором мало кто знает

Обратите внимание, как многотонный ж/д состав ловко вписывается в повороты, заставляя пассажиров лишь слегка покачиваться. Как это происходит? Почему поезд не летит под откос, а послушно следует за изгибом пути?

Фото: Own work by Kabelleger / David Gubler, https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/

Поворот поезда

Этот вопрос задавал себе каждый любознательный человек. Ответ кроется в гениальной простоте инженерной мысли, отточенной десятилетиями, в том числе на просторах СССР и России. В отличие от автомобиля, где водитель поворачивает колёса, здесь всё решают геометрия и физика.

Зачем поезду нужен конус

Если присмотреться к колесу поезда или трамвая, заметно, что оно не идеально ровное. Поверхность, касающаяся рельса, имеет лёгкую конусность — она шире у внутреннего края и уже у внешнего. Это главный секрет!

Многие думают, что реборда (выступающий гребень) удерживает состав на путях, но это лишь страховка. Основная работа по организации поворота ложится именно на коническую форму. Когда поезд едет прямо, оба колеса касаются рельсов одинаковой частью. Но в повороте центробежная сила смещает колесную пару к наружному рельсу.

И тут вступает магия геометрии: наружное колесо касается рельса частью с большим диаметром, а внутреннее — с меньшим. Поскольку колёса жёстко связаны одной осью и вращаются с одинаковой скоростью, колесо большего диаметра за один оборот проходит путь длиннее. Состав плавно "вваливается" в поворот, следуя за разницей в пройденном пути.

Интересный факт: в СССР вопросам износа колёс и рельсов уделяли колоссальное внимание. Из-за огромной грузонапряжённости наших железных дорог учёные разрабатывали особые профили, чтобы продлить срок службы. Советская школа расчёта колёсных пар считалась одной из лучших в мире, ведь на кону стояли миллиарды тонно-километров.

Реборда — тот самый гребень на внутренней стороне — вступает в игру, когда конической поверхности недостаточно: на крутом повороте или при обледенении. Она упирается в рельс и не даёт колесу соскользнуть внутрь пути. Это двухуровневая система безопасности: физика работает в штатном режиме, а механика страхует в критических ситуациях.

Чтобы уменьшить трение на крутых виражах, используют специальные вагоны-рельсосмазыватели или стационарные смазчики. А на высокоскоростных магистралях, таких как будущие ВСМ в России, наружный рельс в повороте укладывают чуть выше внутреннего, компенсируя центробежную силу.

В петербургском метро на некоторых поворотах машинисты разгоняются до 80 км/ч именно благодаря этому решению. Пассажирам кажется, что поезд идёт под креном — так и есть, тоннель строят с наклоном на поворотах.

Когда колеса бессильны: трамвайные стрелки

С физикой поворотов ясно, но как быть с выбором направления? Трамваю нужно ехать то налево, то направо, и его колёса не могут повернуться. Здесь помогает трамвайная стрелка — устройство почти "одушевлённое".

На контактном проводе, примерно за 15-20 метров до стрелки, есть специальный контакт ("лира"). Если водителю нужно направо, он заранее выключает ток и едет накатом. Токоприёмник проскальзывает контакт вхолостую, цепь не замыкается, стрелка остаётся в правом положении.

Если нужен левый поворот, водитель проезжает под контактом с включённым двигателем. Возникает цепь, активируется электромагнит (соленоид), и сердечник переводит перья стрелки налево. Чуть замешкался — поехал не туда. На современных трамваях процесс автоматизирован кнопкой, но физика та же.

Ограничения скорости на таких стрелках не случайны — чаще всего 5 км/ч на противошёрстных и до 15 км/ч на пошёрстных. Пружины, удерживающие перо стрелки, достаточно слабые. Если проехать быстрее, многотонная махина может переключить стрелку ударом передних, и задние тогда поедут не туда, куда передние.

Результат — сход с рельсов. Зимой добавляется проблема снега: магнитам часто не хватает силы выдавить снег из желоба, и водителям приходится выходить с метёлкой.

Курьезы на рельсах

История рельсового транспорта полна забавных случаев. Один произошёл в Ленинграде на повороте с 9-й Советской улицы на Греческий проспект. Этот поворот под 90 градусов был камнем преткновения для новых сочленённых трамваев "гармошек" ЛВС — средняя тележка то и дело норовила сойти с рельсов.

Ранним утром вагоновожатый не вписался в поворот. Трамвай снёс витрину булочной, где раскладывали свежий хлеб. Грохот, звон, ужас продавщиц…

Из кабины высовывается абсолютно невозмутимый водитель и спрашивает: "Девчонки, привет! А есть городской телефон? Позвонить надо очень срочно!"

К счастью, обошлось без жертв, а история стала городской легендой.

В Санкт-Петербурге есть знаки "Негабаритная кривая", предупреждающие, что два встречных вагона не разъедутся — снесут зеркала. В таких местах действует правило приоритета. Особенно славится перекрёсток Лиговского и Расстанной — там левые зеркала бьют постоянно.

Как развернуть поезд, если он не может повернуть?

Это особая задача. Автомобиль развернётся и на пятачке, а поезду нужны специальные устройства.

Поворотный круг. Огромная платформа с рельсами, врытая в землю. Локомотив заезжает, она поворачивается на 180 градусов, состав съезжает лицом в другую сторону. В советских паровозных депо такие круги были обычным делом.

Интересный патент СССР 1933 года описывает круг с двумя путями для перестановки вагонов без сложных стрелок — гениальное решение для тесных пространств старых депо.

Сегодня круги почти не используют: большинство локомотивов стали симметричными, с кабинами с двух сторон. Машинисту не нужно разворачивать поезд — достаточно перейти в другой конец.

Поворотный треугольник. Соединение путей в виде криволинейной фигуры, позволяющее развернуть состав на 180 градусов. Занимает больше места, но требует меньших затрат на устройство.

В США треугольники распространены из-за простора и первых локомотивов, тянувших состав только в одном направлении. В России их мало — наши вагоны безразличны к направлению: в плацкарте купе проводника и туалеты могут быть с разных сторон состава, инструкций по ориентации на сети РЖД не существует.

В стеснённых условиях применяется разворотная звезда (итальянцы называют Stella di inversione) — пятиугольник, по форме напоминающий пентаграмму. Пять стрелок и три глухих пересечения требуют от машиниста четырёх смен направления, но занимают меньше места.

В Москве у станции метро "Белорусская" есть разворотный тупик для трамваев. Но интереснее маршрут №9, где ходят необычные составы — вагоны сцеплены задними частями, кабины смотрят в разные стороны. Водитель не переходит в другой конец: садится в переднюю кабину и ведёт состав обратно, опустив пантограф на заднем вагоне.

Как программисты угоняли трамвай

Говоря об управлении трамваями, нельзя не вспомнить легендарную историю в Москве у метро "Шоссе Энтузиастов" примерно в 2000 году. Компания программистов после работы и шашлычной с вином набрела на трамвайное кольцо, где стоял вагон 43-го маршрута.

Одному пришла идея прокатиться. Задняя дверь открылась с первого пинка (замок висел только на передней — инерция мышления сыграла на руку). Швейцарским ножичком открыли кабину. Водитель-самоучка быстро разобрался с управлением. Нажал на педаль — и сразу въехал в деревянный брус в конце тупика.

Спящий товарищ приложился головой о поручень. Нашли задний ход, едва не столкнулись с 32-м трамваем — тормоза оказались отличными.

Перед низким мостом опустили пантограф, но чуть перетянули — "коробка" сложилась и защёлкнулась. Встали под мостом, перегородив дорогу. Пока нашли канатик, освобождающий защёлку, рванули на красный. На остановках народ пытался зайти в пустой вагон, но двери не открывали.

На стрелке водитель начал искать кнопку перевода, но успел пооткрывать все двери, помигать огнями, включить печку, шугануть звонком гаишника и помахать ему дворниками. Стрелка не переключилась, и поехали не туда. На крутом повороте у кладбища один из пассажиров снова выпал с сиденья.

На Ростокинском проспекте нечаянно подрезали BMW, которая долго сигналила. К счастью, история закончилась благополучно, но она наглядно демонстрирует, что управление трамваем — дело непростое.

И когда вы в следующий раз почувствуете лёгкое покачивание на повороте в трамвае или поезде, вспомните: под вами работает гениальная система, отточенная поколениями инженеров. Система, где каждый винтик, каждая реборда и каждая стрелка знают своё дело.

Даже если водитель ошибётся — физика и геометрия подстрахуют, не давая стальным колёсам сойти с пути.