Вы наверняка слышали центробежной силе и уж точно каждый сталкивался с ней во время поездки на каком-либо транспорте. При резком повороте налево нас всегда отбрасывает вправо. И при повороте направо отбрасывает влево. Это всё последствия того, что наш мир подчиняется законам инерции.
Для начало немного теории.
Если в далеком космосе будет дрейфовать камень, то он будет бесконечно лететь с одной и той же скоростью, в одну сторону. То есть его траектория движения это прямая линия.
Это и есть свойства инерции - каждый предмет хочет сохранить одну и ту же скорость и двигаться при этом по прямой линии. И что происходит когда мы вмешиваемся в этот процесс вы знаете.
Когда транспорт тормозит, то нас тянет вперед. Это притяжение вперед говорит нам что мы вообще-то должны продолжать двигаться вперед с одной и той же скоростью, так как это предполагает инерция. Чем сильней мы тормозим, тем жестче получаем «ответку» от инерции.
При движении по окружности инерция тоже есть. Пусть какой-нибудь шарик летит по инерции по своей прямолинейной траектории. И тут мы ловим его. Накинем на него цепь.
Он начнет двигаться по окружности. Скорость у него останется прежней. Мы не даём ему улететь, но вообще-то инерция диктует ему, что его траектория движения должна быть прямой, а мы этой цепью удерживаем его, по сути тянем в центр окружности.
В такой ситуации мы насильно изменяем его прямолинейную траекторию, заставляя всё время поворачивать. А где смещение траектории, там будет и «ответка» от инерции. Это и есть центробежная сила. Мы тянем цепью шарик в центр, а инерция будет пытаться вернуть его на прошлую траекторию, которая была до поворота. То есть давление будет направлено от центра. Убегать от центра, отсюда и слово центробежная. И если мы разрушим цепь, то шарик полетит по своей прямолинейной траектории, которую мы постоянно принудительно изменяли.
На железной дороге с этой центробежной силой идет настоящая борьба. На дороге есть криволинейные участки, по простому - кривые. Когда вагон заезжает на этот участок, то на него точно также начинает действовать центробежная сила, потому что кривая это часть окружности. Центробежная сила воздействует на все элементы вагона, включая колесную пару. И если она будет слишком большой, то одну сторону колесной пары прижмет к рельсу.
Рельс прочный. Но гребень колеса вместе с рельсом будут изнашиваться, из-за чего их придется часто менять. К тому же всех людей в вагоне будет точно также прижимать к стене вагона, неприятное ощущение. Мы даже можем посчитать силу от инерционного давления. Формула ниже, просто подставьте свой вес к килограммах и узнаете с какой силой инерционное давление будет вас прижимать.
От этого давления нужно избавиться. И на железной дороге есть простое решение. Нужно наклонить кузов вагона в противоположную сторону центробежной силы. Так мы специально провоцируем падение вагона. А центробежная сила будет препятствовать этому падению. Есть вагоны, которые сами могут наклоняться на кривых. Но в основном наклона добиваются именно возвышением наружного рельса. Ниже представлены две ситуации. При повороте налево наружным будет правый рельс, а при повороте направо - левый рельс.
В основном железнодорожный путь лежит на балластном основании. Балласт это камни в которых лежит рельсошпальная решетка. И все что остается сделать это подсыпать нужное количество камней под один конец шпалы. Так рельсошпальная решетка будет лежать под наклоном, и проходящие по ней вагоны тоже.
А разницу между уровнями головок рельс называют возвышением наружного рельса. И за этой величиной следят. В России эта величина не должна превышать 150 мм, это совсем немного. На нашей колее шириной 1520 мм этот наклон будет всего около 5 градусов.
Оно и понятно, когда мы едем по кривой у нас есть поддержка в виде центробежной силы. А вот если мы остановимся, то поддержки не будет и вагон может завалить. Поэтому допуск в 150 мм важен и не позволяет опрокинуть вагоны, даже во время стоянки. Ведь не исключено, что на кривой может понадобится остановиться.
Выше была формула, по которой можно вычислить центробежную силу. Если мы подставим в неё массу вагона, то найдем силу, которая действует на весь вагон. И если мы правильно рассчитаем возвышение, то таким наклоном мы сможем избавиться от негативного воздействия центробежной силы. На дороге возвышение рассчитывают по простой формуле. Нужно всего знать скорость поезда на кривой. И её радиус. Даже массу вагона знать не нужно. Но конечно же есть нюансы.
Нюансы заключаются в том, что по этой формуле можно посчитать возвышение, с помощью которого можно избавить вагон от инерционного давления, но только если это будет одна и та же скорость. Если поезд будет ускоряться или замедляться, то избавиться от действия центробежной силы полностью не получится. Только на железной дороге говорят не избавиться, а погасить.
Есть термин - непогашенное ускорение. Его считают по линии наклона, которая получилась когда мы возвысили рельс.
По красной линии действует центробежная сила с поправками на наклон. А по синей линии действует опрокидывающая сила, тоже с поправками на наклон. Масса в формулах не нужна, она сокращается по законам математики, так как мы приравниваем эти две силы F друг к другу. А оставшиеся части без масс в формулах это ускорения. Отсюда и берется этот термин непогашенное ускорение.
Непогашенное ускорение будет направлено в сторону сильнейшего ускорения. Если победило ускорение от центробежной силы, то оно будет положительным, со знаком «плюс». Если победило «опрокидывающее ускорение», то непогашенное ускорение будет отрицательным, со знаком «минус»
На величину этого ускорения также есть допуски. РЖД ставит максимальное непогашенное ускорение для пассажирских поездов значение в 0.7 м/с². Считается что это максимально возможное центробежное ускорение, при котором люди чувствуют себя комфортно. Подставьте свой вес в килограммах в эту формулу и узнаете, с какой силой в переводе на килограммы на вас будет действовать центробежная сила.
Массы в расчетах не учитывают, но про них забывать нельзя. Поэтому в РЖД на грузовые поезда действует промежуток значений от минус 0.3 м/с² до плюс 0.3 м/с². Оно и понятно, если колесную пару грузового вагона прижмет к наружному рельсу, то износ будет сильней, чем в случае с пассажирским, масса ведь больше.
Есть еще на железной дороге интересный термин, скорость изменения непогашенного ускорения. Обозначается он символом Ψ. В основном про него разговор заходит не на кривых, а на переходных кривых. Это переходной участок между прямой и кривой. Но про этот трезубец уже поговорим в следующий раз.
Подписывайтесь на канал, здесь я рассказываю об устройстве железнодорожного пути и о том, как его проектируют.
Также про возвышение рельса я рассказывал в самом первом ролике на YouTube канале https://www.youtube.com/watch?v=8Fjxg4MlkTk
И еще показывал как выводится формула возвышения https://www.youtube.com/watch?v=XTyH_ohCpYM&t=335s
И еще там есть ролик про переходную кривую, рекомендую посмотреть
https://www.youtube.com/watch?v=eLOSBmzwk0U