Вакуумная железная дорога

Ч 4 Диссипация энергии ЖД

Мало кто из читателей догадается, насколько сильные отличия произойдут в железнодорожном сообщении, если сделать так, чтобы поезда двигались внутри железобетонной трубы с сильным вакуумом. Тут появятся сразу три необычайных обстоятельства. Я начну сначала с самых малозначительных факторов. Во-первых: вакуум - это отличный теплоизолятор. Все люди хорошо знают, на чем основан принцип термоса - то есть длительного сохранения тепла: это берется колба с двойными стенками, между которыми откачан воздух - то есть просто создан вакуум определенной степени. И от этого между стенками колбы полностью отсутствует конвекция - то есть перенос тепла за счет соударений молекул газа, поскольку в вакууме свободные молекулы практически отсутствуют. И вот точно также внутри железобетонной трубы с вакуумом молекул газа будет очень мало, и поэтому практически не будет переноса тепла с верхней части трубы в нижнюю - где будут располагаться рельсы. А это значит, что рельсы перестанут нагреваться летом и охлаждаться зимой, и длина их будет постоянной. А от этого можно почти полностью убрать тепловой зазор в стыках рельсов, который обычно составляет около 5 миллиметров для всех наземных дорог. А вот в подземной железобетонной трубе этот тепловой зазор можно свести к минимуму - может быть всего 1 миллиметр, а можно и еще меньше.

И от этого возникнет сразу два очень полезных свойства: во первых уменьшится стук колес на стыках рельсов, Помните шутливую загадку железнодорожников: почему стучат колеса на рельсах - ведь они круглые? Ответ: формула площади круга: Пи Эр квадрат - так вот квадратами они и стучат! На самом деле колеса стучат, конечно, на стыках рельсов, и этот стук не только раздражает пассажиров, но и изнашивает колеса. Причем особенно у скоростных поездов, и была одна страшная авария на железной дороге в Германии, когда у скоростного пассажирского поезда от этого стука развалилось колесо, и поезд на огромной скорости разрушился. Так вот - благодаря отсутствию переноса тепла в вакууме, можно обеспечить внутри трубы постоянную температуру и уменьшить тепловой зазор стыков рельсов вплоть 0,5-1,0 мм. Но от этого возникает второй фактор - уменьшение сопротивлению движения поезда. Дело в том, что колеса не просто стучат на стыках рельсов, но при этом они еще и замедляют движение поезда! То есть создают вредное сопротивление! И хотя оно в принципе относительно мало - например: в 50-100 раз меньше чем аэродинамическое сопротивление, но ведь если аэродинамическое сопротивление за счет вакуума уменьшить в тысячу раз, то тогда все остальные виды сопротивления относительно возрастут в эту же самую тысячу раз, и станут весьма заметной величиной. Но вакуум и отсутствие передачи тепла - вновь уменьшит эти потери в десятки раз.

И чтобы не возвращаться повторно к теме сопротивления движению поезда по рельсам: существует еще один вид сопротивления: Дело в том, что каждое колесо поезда гонит перед собой как бы волну в рельсе. И из-за этого негативного фактора колесо поезда вынуждено как бы взбираться на эту волну и на это тратить лишнюю энергию и мощность. Особенно это проявляется из-за проседания рельсов между шпалами - когда колесо находится на участке рельса между двумя соседними шпалами, то рельс немного прогибается, и каждое колесо оказывается в неглубокой ямке, из которой ему нужно выбраться и на это затратить энергию. Вот поэтому зимой сопротивление движению поезда немного меньше, чем летом. Потому, что зимой из-за мороза почва становится твердой, и шпалы меньше проседают вниз, чем летом.

Но в железобетонной трубе все будет совершенно по-другому! Поскольку это будет единая цельнолитая конструкция, то значит и шпалы в ней будут не отдельными, а тоже включены (отлиты) заедино с железобетонной трубой. И, следовательно, при нагрузке на них от колеса поезда то шпалы ни на миллиметр не будут проседать, и все это будет абсолютно жесткой конструкцией. Но автор считает, что весьма желательно еще больше увеличить прочность и жесткость. То есть в железной дороге нового типа нужно вообще отказаться от шпал, а сделать так, чтобы ходовой рельс опирался бы на абсолютно жесткую стальную подкладку, ни на сотую долю миллиметра не прогибающуюся вниз. Для обеспечения этого можно, например, многократно увеличить прочность прокладки - применить рельс вдвое увеличенной высоты. Из обывателей мало кто знает законы прочности. Поэтому автор поясняет: прочность всех конструкций огромным образом зависит от их толщины. Например: даже обыкновенный лист бумаги очень легко гнется, но если этот же лист бумаги поставить на ребро, то тогда его прочность возрастает многократно. И в науке прочности при расчетах на изгиб используются два параметра: момент инерции и момент сопротивления. И обе этих величина зависят от толщины. Например: момент сопротивления увеличивается в 3 степени с увеличением толщины изгибаемой балки. Это означает, что если поставить балку в 2 раза большей толщины, то момент сопротивления увеличится в 8 раз. Так вот - если применить двойной по высоте рельс, то его прочность возрастет многократно, а следовательно во много раз уменьшится и прогиб под весом тяжелогруженого поезда. И, значит, почти исчезнет изгибная волна в рельсе. От этого уменьшится сопротивление качению. Если для обычных наземных поездов это не существенное явление, потому, что сила удельная сопротивления качению примерно 1-9 кг на 10 тонн веса поезда, тогда как аэродинамическое сопротивление даже у тихоходных поездов со скоростью 60 км/ч 2 кг на 1000 кг массы (то есть 20 кг на 10 тонн). А при больших скоростях 300 км/ч - даже для хорошо обтекаемого пассажирского поезда воздушное сопротивление 150 кг на одну тонну веса (то есть 1500 кг на 10 тонн веса), а для плохообтекаемых грузовых поездов - еще многократно больше. Таким образом, воздушное сопротивление у тихоходных поездов примерно в 5 раз больше сопротивления качению, а у быстроходных поездов воздушное сопротивление примерно в 500-1000 раз больше. Из этого получается, что если применить движение поездов внутри железобетонной трубы с откачанным воздухом, так, чтобы плотность уменьшилась в тысячи раз, а значит и воздушное аэродинамическое сопротивление на сравнимых скоростях тоже уменьшится в тысячи раз. То тогда доля сопротивления качения (диссипации энергии верхнего строения пути) относительно возросла бы в эти же самые тысячи раз. Так вот - чтобы не допустить этого возрастания, желательно верхнее строение пути делать очень прочным и жестким - например вдвое увеличить высоту рельсов по сравнению с обычной железной дорогой и тогда сопротивление качению (диссипация) уменьшится примерно в десять раз - на порядок.