Σάββατο, 27 Αυγούστου 2016

ΓΙΑΤΙ ΤΑ ΤΡΕΝΑ ΔΕΝ ΧΡΕΙΑΖΟΝΤΑΙ ΤΙΜΟΝΙ, ΚΑΙ ΚΑΠΟΙΑ ΟΥΤΕ ΤΡΟΧΟΥΣ.

Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα μοιάζει προφανής.

Οι τροχοί των τρένων έχουν ένα «νύχι» ή φλάντζα στην εσωτερική πλευρά τους, που δεν τους αφήνει να φύγουν από τις σιδηροτροχιές.
Όμως, αν οι τροχοί βασίζονταν μόνο στο νύχι για να μείνουν επάνω στις τροχιές, θα υπήρχε συχνή επαφή του νυχιού με τις ράγες προξενώντας θόρυβο, φθορά και ταλαντώσεις.
Στην πραγματικότητα, οι τροχοί των τρένων πέρα από το νύχι έχουν και μία κωνικότητα, η οποία είναι αυτή που τους κρατάει κεντραρισμένους στις ράγες και επίσης τους βοηθάει να ακολουθούν τις (ούτως ή άλλως ανοικτές) καμπές των σιδηροτροχιών.
Έτσι, ακόμα και χωρίς τιμόνι, το τρένο καταφέρνει να στρίψει!


Στην αριστερή εικόνα, οι τροχοί κινούνται στην ευθεία και είναι κεντραρισμένοι στις ράγες. 
Στην δεξιά, το τρένο κινείται σε δεξιά καμπή (πηγαίνοντας «μέσα» στη σελίδα), οπότε από τις δυνάμεις αδράνειας ο αριστερός τροχός πλησιάζει το νύχι του στη ράγα, ενώ ο δεξιός το απομακρύνει.
Αυτό έχει σαν συνέπεια, εξαιτίας της κωνικότητας της επιφάνειά τους, ο αριστερός τροχός να «πατάει» σε μεγαλύτερη διάμετρο απ’ ότι ο δεξιός, με αποτέλεσμα το σύστημα άξονα και τροχών (που είναι ενιαίο) να τείνει να στρίψει δεξιά. Το ίδιο φαινόμενο φροντίζει ώστε οι τροχοί να κεντράρονται στις τροχιές όταν το τρένο κινείται σε ευθεία και να μην ακουμπούν το νύχι τους στη ράγα, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση τείνει να στρίψει το σύστημα των τροχών διορθωτικά.

Τα σύγχρονα τρένα με τα μακριά βαγόνια θα είχαν πρόβλημα να στρίψουν στις σχετικές κλειστές στροφές των παλιών σιδηροδρομικών γραμμών. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό, οι τροχοί τοποθετούνται ανά δύο ζεύγη σ’ ένα κοινό «φορείο» (bogie), το οποίο στηρίζει τις δύο άκρες του βαγονιού μέσω ενός κατακόρυφου άξονα, που επιτρέπει στο φορείο να παίρνει μικρή κλίση ως προς το βαγόνι. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει αρκετά ελατήρια και αμορτισέρ, για την καλύτερη απόσβεση των κραδασμών.

Τα σύγχρονα γρήγορα τρένα χρειάζονται και ομαλές σιδηροτροχιές. Η παλαιότερη λύση με τα κάθετα διάκενα (για τις διαστολές) που προκαλούσαν και τον χαρακτηριστκό ήχο της κύλισης του τρένου δεν είναι πλέον αποδεκτή, οπότε είτε χρησιμοποιούνται λοξά διάκενα όπως στη φωτογραφία, είτε οι ράγες συγκολλούνται. Στην τελευταία περίπτωση όμως, για να αποφευχθούν στρεβλώσεις από τις διαστολές, πριν από την συγκόλληση οι ράγες είτε προθερμαίνονται είτε εφελκύονται, ώστε όταν θερμανθούν από το περιβάλλον να μειωθεί ή και να μηδενιστεί ο εφελκυσμός τους. Φυσικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ράγες βρίσκονται σε εφελκυσμό, αλλά αυτό δεν μπορεί να τις στραβώσει καθώς μάλιστα οι συγκολλημένες ράγες συνήθως συνδυάζονται με τις πολύ ισχυρότερες τραβέρσες από μπετόν.
Πριν εξετάσουμε όμως το δεύτερο θέμα του τίτλου, δηλαδή αυτό της αναγκαιότητας των τροχών, ας δούμε σε εικόνες μερικούς σημαντικούς σταθμούς στην ιστορία των τρένων.


Η Rocket, η πρώτη πρακτική ατμομηχανή, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη το 1829 από τον Stephenson, με μέγιστη ταχύτητα 46 χλμ/ω.

Μια τυπική ατμομηχανή. Διακρίνονται οι κύλινδροι (μπλέ) που μετατρέπουν την πίεση του ατμού σε παλινδρομική κίνηση και οι διωστήρες που τη μετατρέπουν σε περιστροφική στους τροχούς. Τον κύριο όγκο της ατμομηχανής καταλαμβάνει ο λέβητας, που παράγει τον ατμό και τον... καπνό.
Λεπτομέρεια της λειτουργίας της ατμομηχανής, και ο τρόπος που μεταδίδεται η κίνηση στους τροχούς.


Ένα τρένο πολύ μπροστά από την εποχή του. Το 1907 κατασκευάστηκε αυτό το τρένο μονής τροχιάς (monorail) το οποίο διατηρούσε την ισορροπία του με εσωτερικά γυροσκόπια. Δεν προχώρησε πέρα από το πειραματικό στάδιο, ενώ τα σημερινά τρένα μονής τροχιάς, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε υπερυψωμένες τροχιές σε πόλεις, σταθεροποιούνται με βοηθητικούς τροχούς στα πλάγια (εκτός αν είναι κρεμαστά, που δεν τους χρειάζονται).

Σύγχρονο τρένο μονής τροχιάς, αλλά με συμβατική σταθεροποίηση (με πλευρικούς τροχούς)
Η Mallard, που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας με 202 χλμ/ω για ατμοκίνητα τρένα από το 1938. Η ατμομηχανή απέκτησε το αεροδυναμικό κάλυμμα, μετά από επίσκεψη του κατασκευαστή της στον Ε. Bugatti, που ήταν πρωτοπόρος στη χρήση της αεροδυναμικής στα αυτοκίνητα. Oκατασκευαστής της, φρόντισε επίσης να καλύψει και τα κενά ανάμεσα στα βαγόνια.


Τυπική διάταξη ηλεκτρικής μετάδοσης ισχύος, σε ντιζελοκίνητη μηχανή έλξης (locomotive). Ο ντιζελοκινητήρας (μπλε) κινεί μια γεννήτρια (μωβ), της οποίας η ισχύς ελέγχεται από ένα σύστημα με ρελέ και αντιστάσεις (καφέ), ενώ το ρεύμα τροφοδοτεί τελικά τους κινητήρες (πράσινο) που βρίσκονται σε κάθε άξονα. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι ογκώδεις μειωτήρες, ο έλεγχος της ταχύτητας είναι πολύ ομαλός και την έλξη την μοιράζονται όλοι οι τροχοί, πολύ σημαντικός παράγοντας σε μεγάλες κλίσεις ή συνθήκες ολισθηρότητας (ο συντελεστής τριβής σίδερο με σίδερο είναι σχετικά μικρός).


To τρένο που παίρνει κλίση. Για να μπορέσει να αυξηθεί η ταχύτητα του τρένου πέρα από την ιδανική που επιβάλλει η (συνήθως μικρή) κλίση των σιδηροτροχιών, τη δεκαετία του ’80 κατασκευάσθηκαν (στην Αγγλία) και χρησιμοποιήθηκαν τρένα που το αμάξωμά τους μπορούσε να πάρει κλίση σε σχέση με τα φορεία των τροχών. Αν και η δοκιμή ήταν επιτυχημένη και με αυτόν τον τρόπο εξουδετερώνονταν οι αδρανειακές δυνάμεις που θα ενοχλούσαν τους επιβάτες, η πολυπλοκότητα της κατασκευής δεν ευνόησε την επικράτηση της μεθόδου.


Μία λύση που χρησιμοποιεί το γαλλικό Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας (TGV) για να περιορίσει τις εγκάρσιες ταλαντώσεις στη σύνδεση των βαγονιών που μπορεί να συμβούν σε μεγάλες ταχύτητες, είναι η χρήση κοινού φορείου τροχών μεταξύ των βαγονιών.


Το τρένο που κατέρριψε (και κατέχει) το ρεκόρ ταχύτητας για τρένα σε σιδηροτροχιά με 575 χλμ/ω, κατά τη διαδρομή που του εξασφάλισε το ρεκόρ, το 2007. Προσέξτε τους θεατές, που είχαν συγκεντρωθεί για το γεγονός.

Για να καλύτερο φρενάρισμα, μερικά τρένα μεγάλης ταχύτητας χρησιμοποιούν και αεροδυναμικά φρένα, όπως τα αεροπλάνα.

Το Aerotrain ήταν μια προσπάθεια μεταξύ των ετών 1965 - 1977 από τον Γάλλο Jean Bertin για ένα τρένο μεγάλης ταχυτήτας, που θα κινείτο σε στρώμα αέρα (σαν hovercraft), κατά μήκος μιάς γραμμής - οδηγού σχήματος αντεστραμμένου Τ. Τον Μάρτιο του 1974 μία πιο εξελιγμένη εκδοχή από αυτή της φωτογραφίας έφτασε τα 430 km/h, κινούμενο σε γραμμή μήκους 18 km. Ο θάνατος του εφευρέτη του τρία χρόνια αργότερα και η απόφαση των γαλλικών σιδηροδρόμων να στραφούν στα τρένα τεχνολογίας TGV, σταμάτησαν τις περαιτέρω προσπάθειες. Το γαλλικόAerotrain δεν πρέπει να συγχέεται με το ομώνυμο αμερικάνικο κατασκευής 1950 της GeneralMotors, το οποίο ήταν συμβατικής κατασκευής αλλά αεροδυναμικό και χρησιμοποιούσε αερανάρτηση.

Μακέτα εισόδου τούνελ για τρένο μεγάλης ταχύτητας. Τα ανοίγματα στην οροφή στην είσοδο του τούνελ μειώνουν τον κρότο από την απότομη συμπίεση του αέρα, τη στιγμή που το τρένο εισέρχεται στο τούνελ.
Τα τρένα μεγάλης ταχύτητας, που μπορούν δηλαδή να αναπτύξουν ταχύτητες πάνω από 250 χιλ/ω, γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη στην Ευρώπη και την Ιαπωνία (και τελευταία και στην Κίνα), επειδή σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων συναγωνίζονται με επιτυχία τα αεροπλάνα σε συνολικό χρόνο ταξιδιού, καθώς έχουν το πλεονέκτημα οι σταθμοί τους να βρίσκονται στο κέντρο των πόλεων.
Στην Ελλάδα το τρένο δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλής τρόπος ταξιδιού, καθώς η παλιά χάραξη της μοναδικής ουσιαστικά γραμμής που διασχίζει την Ελλάδα δεν επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες, εξαιτίας του ορεινού κατά βάση εδάφους.
Όμως, μερικοί ειδικοί συρμοί παραμένουν δημοφιλείς για τουριστικές διαδρομές ιδιαίτερου φυσικού κάλλους, όπως στο φαράγγι του Βουραϊκού στα Καλάβρυτα, στο Πήλιο και στον Νέστο.
Πολύ ωραίο είναι και το κομμάτι της ορεινής διαδρομής από Μπράλο μέχρι Λαμία, που περνάει τις γέφυρες Παπαδιάς, Ασωπού και Γοργοπόταμου.

Ο νέας γενιάς «οδοντωτός» στο φαράγγι του Βουραϊκού (διαδρομή Διακοφτό – Καλάβρυτα). Διακρίνεται η μεσαία τροχιά με την οδόντωση, που υπάρχει στα τμήματα της διαδρομής που η κλίση είναι μεγάλη και εμπλέκεται σε ειδικό κινητήριο γρανάζι στο κάτω μέρος του τρένου.
Αλλά και στις ΗΠΑ το τρένο δεν είναι πολύ δημοφιλές για τους επιβάτες (είναι για τα εμπορεύματα), καθώς για τις μεσαίες αποστάσεις προτιμάται η χρήση του αυτοκινήτου. Γι’αυτό και στις στις ΗΠΑ η τεχνολογία των τρένων είναι σχετικά ξεπερασμένη.
Η τελευταία εξέλιξη στην τεχνολογία των τρένων είναι τα τρένα μαγνητικής αιώρησης, που όπως υπονοήσαμε στην αρχή του άρθρου, είναι αυτά που πρακτικά δεν χρειάζονται τροχούς.
Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (MAGnetic LEVitation), είναι δύο βασικών τύπων. Ηλεκτρομαγνητικής αιώρησης (επάνω 1η εικόνα) και ηλεκτροδυναμικής αιώρησης (επάνω 2ηεικόνα). 
Στην πρώτη περίπτωση, οι κύριοι ηλεκτρομαγνήτες του τρένου το έλκουν προς τη «ράγα», ενώ οι πλευρικοί ηλεκτρομαγνήτες το κεντράρουν.
Πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζονται τροχοί, καθώς το σύστημα δουλεύει και εν στάσει. Μειονέκτημα, τα πολύπλοκα ηλεκτρονικά ώστε να ελέγχεται και να ρυθμίζεται συνεχώς και ταχύτατα η έλξη των μαγνητών (ή έλξη των μαγνητών μεταβάλεται με το αντίστροφο του κύβου της απόστασης), για να διατηρούνται τα διάκενα σταθερά.

Στη δεύτερη περίπτωση, ισχυροί μαγνήτες επάνω στο τρένο καθώς κινείται επάγουν ρεύμα σε πηνία στα πλάγια της ράγας, έτσι ώστε η αντίθετη πολικότητα που δημιουργείται αυτόματα (εξαιτίας της επαγωγής) να σηκώνει και να κεντράρει το τρένο. 
Καθώς μάλιστα το φαινόμενο δημιουργεί άπωση, όλα τα διάκενα αυτορυθμίζονται. 
Πλεονέκτημα, η απλούστερη κατασκευή. 
Μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται τροχοί για να υποστηρίζουν το τρένο όταν κινείται με μικρή ταχύτητα (κάτω από τα 100 χλμ/ω), και φυσικά όταν είναι σταματημένο.
Στις μεγάλες ταχύτητες, έχουν επικρατήσεις τα MAGLEV ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. 

Και στις δύο μεθόδους μαγνητικής αιώρησης, η προώθηση του τρένου γίνεται με ξεχωριστά πηνία (απ' αυτά της αιώρησης) που βρίσκονται επάνω στη ράγα και επιδρούν με τους μαγνήτες επάνω στο τρένο, με την ίδια περίπου αρχή που λειτουργεί ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας (βλ εικόνα παρακάτω).
Ένας αυτοματισμός με αισθητήρες συγχρονίζει τη συχνότητα του τριφασικού ρεύματος που τροφοδοτεί τα πηνία προώθησης, με την ταχύτητα του τρένου.

Η αρχή του γραμμικού κινητήρα. Επάνω, ένας κλασικός επαγωγικός κινητήρας. Αν θεωρήσουμε ότι κάνουμε μια τομή στον στάτη και τον «ξετυλίξουμε», θα έχουμε έναν γραμμικό κινητήρα. Το πρόβλημα είναι ότι θα πρέπει να προστεθούν πηνία στον στάτη, ώστε να καλύψουν όλο το μήκος της διαδρομής που χρειαζόμαστε.



Τροχιά συστήματος ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. Με κόκκινο τα πηνία κεντραρίσματος, που δεν τροφοδοτούνται με ρεύμα. Με μπλέ τα πηνία προώθησης που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα, ρυθμιζόμενης συχνότητας. Στο κέντρο, οι διάδρομοι που πατάνε οι τροχοί, στις χαμηλές ταχύτητες.


Το ιαπωνικό τρένο που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας για επανδρωμένα τρένα μαγνητικής αιώρησης με 603 χλμ/ω, τον Απρίλιο του 2015. Το τρένο είναι προς το παρόν πειραματικό με ειδικά διαμορφωμένο ρύγχος και κινήθηκε σε ειδική τροχιά. ‘Ομως, το ταχύτερο δρομολογημένο τρένο μαγνητικής αιώρησης είναι στην 30 χιλιομέτρων διαδρομή από το αεροδρόμιο της Σαγκάης στη Σαγκάη, που έχει φθάσει την ταχύτητα των 430 χλμ/ω.

Ένα διαφορετικό είδος τρένου, τα Roller Coaster, που προσφέρουν άλλου είδους συγκινήσεις στους επιβάτες τους, όπως να βιώσουν ακροβατικές μανούβρες μέχρι +5g, που μόνο ένα μαχητικό αερολάνο μπορεί να προσφέρει. Τα τρενάκια αυτά αρχικά ανεβαίνουν στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς τους ρυμουλκούμενα από σύστημα ενσωματωμένο στην τροχιά ή με εκτόξευση, και στη συνέχεια αναλαμβάνει η βαρύτητα.
Μία ειδική περίπτωση τρένου είναι το μετρό, που είναι τοπικό, υπόγειο συνήθως τρένο μέσα στα όρια μιας εκτεταμένης πόλης (μητρόπολης). 
Για ευνόητους λόγους, τα μετρό ήταν από τα πρώτα τρένα που ηλεκτροκινήθηκαν και στα οποία, όπου ήταν δυνατόν, εφαρμόσθηκε η ανάκτηση ενέργειας με φυσικό τρόπο.
Κατασκευάζοντας δηλαδή τους σταθμούς πιο κοντά στο έδαφος (ώστε και οι επιβάτες να έχουν ευκολότερη πρόσβαση) από την κυρίως διαδρομή που ήταν βαθύτερα, τα τρένα χρειάζονταν λιγότερο φρενάρισμα καθώς ο σταθμός βρίσκονταν στο τέλος ενός ανήφορου, και αντίστοιχα επιτάχυναν γρηγότερα καθώς έφευγαν.
Σήμερα βέβαια, με τα ηλεκτρονικά συστήματα επιστροφής της ενέργειας του φρεναρίσματος στο ηλεκτρικό δίκτυο, η μέθοδος αυτή έχει χάσει την αξία της.
Και για να κλείσουμε σε λίγο διαφορετικό κλίμα, αρκετά ελληνικά τραγούδια έχουν σαν θέμα το τρένο και την απόσταση που βάζει ανάμεσα στους ανθρώπους.
Ενδεικτικά, και από τα παλαιότερα:
- Κάποιο τρένο.
- Το τρένο φεύγει στις 8.
- Τα τρένα που φύγαν.
- Πάει έφυγε το τρένο.
- Κάνε κάτι να χάσω το τρένο.

Συντάκτης: Γιώργος Μεταξάς
Πηγή: mepolyaplalogia.blogspot.gr