Задумывались ли вы как поворачивают поезда?
В железнодорожных составах и поездах метро, в отличие от автомобилей, нет дифференциала - устройства, позволяющего колёсам вращаться с различной угловой скоростью. В колёсной паре вагона колёса жёстко сцеплены друг с другом осью и, соответственно, вращаются с одинаковой угловой скоростью. Но при повороте поезда длины путей, пройденных колёсами, отличаются: радиус внешнего рельса больше, чем радиус внутреннего рельса.
С другой стороны, проскальзывания колёс относительно рельсов быть не должно. Кажется, что отсутствие проскальзывания и разный «пробег» жёстко сцепленных колёс — несовместимые обстоятельства.
Спасает геометрия: колёса делают не цилиндрическими, а в виде конусов.
На прямолинейном участке пути такая колёсная пара ведёт себя как цилиндрическая, а на повороте — смещается относительно железнодорожного полотна. В результате внутреннее колесо будет иметь меньший «реальный» радиус, чем внешнее. Смещение и вызванное им изменение радиусов колёс обеспечивают согласованность длин пройденных путей. Удивительно, что геометрия и механика «самостоятельно» определяют эти настройки, без участия человека‐машиниста или управляющего механизма.
Приведённые картинки из фильма «Колёсная пара» (в котором можно посмотреть поведение колёсной пары в движении) — конечно же модельные. Но рассматриваемая модель отражает суть. Вот профиль колеса «по ГОСТу»:
А вот так выглядит колёсная пара целиком:
Её масса — тонна! Две колёсные пары накрываются тележкой, под каждым вагоном — две тележки.
Если вы присмотритесь к колёсной паре (стоящего) железнодорожного состава вы увидите конус о котором мы говорили! Изложенная геометрическая идея родилась ещё в доэлектрической части XIX века, но верно служит и в компьютерном XXI веке.
P.S. Мы начали с того, что в колёсной паре вагона колёса жёстко сцеплены друг с другом. Но есть один тип поездов, в котором не используются колёсные пары — испанские поезда фирмы Talgo. Начало истории создания этих поездов можно прочитать в репортаже «Испанская скоростная гусеница». В современной России поезда Тальго представлены поездами «Стриж», курсирующими по маршруту Москва — Нижний Новгород. В колёсном блоке фирмы Тальго колёса в одной паре не соединены осью и вращаются независимо:
Кроме того, в этих поездах вагон не стоит на тележке, а подвешивается за верх к стойкам, что уменьшает углы наклона самого вагона:
Есть и другие плюсы. Но у подвески Тальго есть и один существенный недостаток, не позволивший ей «завоевать мир». Этот недостаток понятен из исторической фотографии:
Каждый вагон «не самостоятелен»: вагон опирается на два своих колеса и на ... предыдущий вагон. Формирование такого состава невозможно на обычных станциях. А обычные вагоны, стоящие на двух тележках с коническими колёсными парами, можно составлять в состав на любом полустанке.