چرا چرخ قطار کاملا استوانه‌ای نیست؟
قطار روی ریلی باریک حرکت می‌کنند اما چرا ساختار چرخ قطارها استوانه‌ای نیست؟
چرخ قطار برخلاف چرخ خودرو، سطحی کاملاً صاف و استوانه‌ای ندارد؛ سطح تماس آن با ریل کمی شیب‌دار و مخروطی طراحی شده است. این شکل خاص به قطار کمک می‌کند بدون استفاده از فرمان، مسیر مستقیم را حفظ کند و در پیچ‌ها با اصطکاک و سایش کمتری حرکت کند.
دلیل اصلی این طراحی به ساختار چرخ‌های قطار برمی‌گردد. دو چرخ هر محور با یک میله ی فلزی به نام «محور» به هم متصل‌اند و نمی‌توانند مستقل از یکدیگر بچرخند؛ یعنی هر دو در هر لحظه تعداد دور یکسانی دارند. اگر سطح چرخ‌ها کاملاً استوانه‌ای بود، قطر مؤثر هر دو چرخ یکسان می‌ماند و در پیچ‌ها مشکل ایجاد می‌شد.
شکل مخروطی چرخ‌ها چه کمکی می‌کند؟
وقتی قطار وارد پیچ می‌شود، ریل بیرونی مسیر طولانی‌تری نسبت به ریل داخلی دارد. بنابراین چرخ بیرونی باید مسافت بیشتری را طی کند؛ اما چون دو چرخ روی یک محور قرار دارند و با سرعت زاویه‌ای یکسان می‌چرخند، چرخ استوانه‌ای نمی‌تواند به‌تنهایی این تفاوت مسافت را جبران کند؛ در نتیجه بخشی از حرکت به لغزش و سایش چرخ و ریل تبدیل می‌شود.
طراحی مخروطی این مشکل را تا حد زیادی برطرف می‌کند. وقتی مجموعه ی دو چرخ کمی به یک سمت جابه‌جا می‌شود، نقطه ی تماس چرخ بیرونی با ریل به بخشی با شعاع غلتش بزرگ‌تر منتقل می‌شود و چرخ داخلی روی بخشی با شعاع کوچک‌تر حرکت می‌کند. در نتیجه، چرخ بیرونی با هر دور چرخش مسافت بیشتری می‌پیماید و چرخ داخلی مسافت کمتری؛ درست همان چیزی که برای عبور از پیچ لازم است.
این ویژگی علاوه‌بر کمک به عبور از پیچ‌ها، در حرکت مستقیم هم نقش دارد. اگر مجموعه ی چرخ‌ها کمی به یک سمت منحرف شود، اختلاف شعاع غلتش دو چرخ نیرویی ایجاد می‌کند که تمایل دارد آن را دوباره به موقعیت مرکزی برگرداند. البته این سازوکار در سرعت‌های بالا می‌تواند باعث نوسان جانبی مجموعه ی چرخ‌ها شود؛ به همین دلیل طراحی دقیق شکل چرخ و سیستم تعلیق اهمیت زیادی دارد.
لبه ی برجسته ی چرخ قطار چه وظیفه‌ای دارد؟
در بخش داخلی هر چرخ، لبه‌ای برجسته به نام «فلنج» وجود دارد. این لبه کمک می‌کند چرخ از ریل خارج نشود و در شرایطی که حرکت جانبی مجموعه ی چرخ‌ها زیاد است، آن را هدایت می‌کند. برخلاف تصور رایج، فلنج‌ها در حرکت عادی قرار نیست دائماً به لبه ی ریل ساییده شوند؛ شکل مخروطی چرخ‌ها و هندسه ی تماس با ریل بخش مهمی از هدایت قطار را برعهده دارند و فلنج بیشتر نقش حفاظتی و کنترلی دارد.
البته چرخ قطار در عمل یک مخروط هندسی ساده نیست. سطح غلتش آن با انحناها و تغییرات دقیقی طراحی می‌شود تا تعادل میان پایداری در سرعت بالا، عبور از پیچ‌ها و کاهش سایش حفظ شود. بنابراین شکل غیر‌استوانه‌ای چرخ‌ها نتیجه ی یک انتخاب مهندسی مهم است: استفاده از هندسه ی چرخ برای هدایت قطار، بدون نیاز به سازوکار فرمان مستقل برای هر چرخ.
دیدگاه‌ها
دیدگاه شما پس از تأیید مدیر منتشر می‌شود. گفت‌وگوی فارسی و انگلیسی این خبر جداست.