Рельсы сделаны из стали, и колеса — тоже. Между двумя гладкими стальными деталями трение меньше, чем между шиной и дорожным покрытием. Оно даже меньше, чем между кожей и стеклом. Несмотря на это, сцепление между колесом и рельсой довольно серьезно и позволяет поезду двигаться вперед — все потому, что огромная масса локомотива или вагона ложится на очень маленькую площадь соприкосновения колес и рельс.
Законы физики на железной дороге, или Почему поезда не ездят в горку
Ландшафт подчиняется железной дороге: ей высоко — гору срывают или дырявят тоннелем, низковато — делают насыпь. На главном ходе Транссиба — 15 тоннелей, на параллельных — еще десяток (в том числе самый длинный, семикилометровый тоннель под Амуром). Почему поезда ходят только по прямой? Давайте разбираться.
Getty Images
Чтобы сдвинуть поезд с места, нужно приложить силу, способную преодолеть силу трения, вес поезда и аэродинамическое сопротивление. На плоскости это вполне выполнимо, и поезда развивают серьезные скорости и тянут внушительные грузы. Но все меняется, как только рельсы уходят в горку, даже не самую крутую.
Не прибегая к помощи рук, человек способен преодолевать уклоны в 75 градусов и даже чуть круче — правда, это дается с большими усилиями. Автомобиль легко преодолеет 30-градусный подъем. Для поезда, едущего по гладким рельсам, максимум — пара градусов: на более крутых склонах распределение веса меняется, сила трения ослабевает, и колеса проворачиваются вхолостую вне зависимости от того, насколько большая сила толкает состав вверх.
Иногда даже маломощный паровой локомотив можно заставить прогуляться вверх по холму, просто увеличив массу вагона: такое часто проделывают на железнодорожных ярмарках. Балласт создает дополнительное трение и, разогнавшись, поезд иногда преодолевает небольшие подъемы.
Другой способ заставить поезд двигаться вверх — снабдить и рельсы, и колеса пазами и зубьями. Когда такой поезд едет по рельсам, он похож на две шестеренки бесконечного радиуса. Самый крутой подъем зубчатой железной дороги Pilatusbahn в Швейцарии достигает 48%, и выглядит это очень впечатляюще:
