鐵路越來越先進，為什么軌道始終沒什么變化？

軌道的汗青

說起軌道的汗青，很多人會天然想起秦始皇的“車同軌，書同文，行同倫”，猜測在公元前兩百多年的華夏大地上是不是就已經有軌道了呢？

現實上，在《禮記·中庸》里所描述的“車同軌”應該理解為“車同規”更合適，這里的“軌”大致指的是“軌距”，也就是兩個車輪間的距離，若是所有的馬車輪距都不異，它們在道路上壓出的印記也大致是一樣寬，路上車走得多了，就會壓出一條堅硬的軌跡來，車也就能跑得更快一些。從這個角度看，它與今天鐵路軌道的道理是一樣的。

傳說這是留存下來的秦代古驛道，中心是兩條車轍印

西方國度留存下來關于軌道的最早證據，是從羅馬尼亞中部特蘭西瓦尼亞16宿世紀煤礦遺址中找到的礦車和木軌。盡管它極其原始，但我們依然不難發現今天最進步前輩鐵路軌道系統的道理。

從羅馬尼亞中部特蘭西瓦尼亞煤礦出土的礦車

直到歐洲工業革命起頭之前，軌道都是采用長的木材制當作，這些木材寬約幾英寸，在木軌道的下方，每隔兩到三英尺會橫標的目的放置一段木頭做枕木，枕木本家兒要用來固心猿意馬木軌，使其連結劃定的寬度。其上方行駛的車輪也是木制的，那個時辰人們還不克不及大規模地出產鋼鐵，鐵是很貴的材料。

木質軌道很輕易磨損，后來人們在它的概況貼上薄薄的長鐵片，用釘子固心猿意馬在軌道上，這樣不僅能耽誤軌道利用壽命，還可以削減摩擦阻力，這即是最原始的鐵軌。

早期籠蓋在軌道上的鐵片和道釘

鐵軌的益處顯而易見，但它同時也加速了木頭車輪的磨損。18宿世紀中期人們將車輪換當作鐵輪子后又發現，木頭的鐵軌并不克不及很好地承重，它會被壓彎，而且鐵片會翹起來造當作變亂。加上煉鐵手藝的前進降低了鐵的當作本，于是在1767年木頭軌道被換當作了鑄鐵軌道。

上圖1831年出產的鑄鐵軌道長約1.8米，呈魚腹形，橫斷面是L形，這些設計都可以增添強度，軌道的兩頭可以固心猿意馬在枕木上。用這種鑄鐵軌道鋪當作的鐵路被稱為“板式鐵路”，它本家兒要用于毗連煤礦、鐵礦和煉鐵廠。

板式鐵路比木頭軌道前進了良多，但它的錯誤謬誤也很較著：它的接頭太多了，這些接頭是最輕易松脫的虧弱之處。跟著鐵冶煉手藝的前進，人們需要一種更長的鐵軌來代替板式鐵路，于是在蒸汽機車呈現后，由鍛鐵制造的帶式鐵軌起頭代替老式的板式鐵路。

薩拉曼卡機車，它是靠齒輪在板式鐵軌上行駛的

八門五花的帶式鐵軌

鋼軌并不是一步就成長到今天的樣子，在帶式鐵軌呈現后，工程師們陸續發現出林林總總的鐵軌。

1831年，英國人發現了“法蘭T形鐵軌”并將其運用到賓夕法尼亞鐵路上，時代英國人還發現出一種雙頭鐵軌，當一面磨損后，還可以反過來再用。當然，T形鐵軌下端很小，需要用專門的金屬底座才能固心猿意馬，這無疑增添了當作本。

早期的T形鐵軌和雙頭鐵軌

1839年，用于毗連英國倫敦和克羅伊登鐵路的Vignoles鐵軌是工字形的，它可以利用道釘很便利地固心猿意馬在枕木上：

Vignoles鐵軌

在1840年扶植的伯明翰和格洛斯特鐵路，Vignoles鐵軌橫截面釀成了下圖的樣子，這可能是為了節約鋼材。

另一種Vignoles鐵軌

1849年，威廉·亨利·巴洛發現了Barlow軌道，它很簡練，可以比力便利地固心猿意馬在枕木上，錯誤謬誤是強度不高。

Barlow軌道的截面圖

比鐵軌更堅硬的鋼軌在1857年被制造出來，比擬于鐵而言，鋼是一種更堅忍的材料，它的壽命更長，而且可以被制當作更長的軌道。

在上面這些軌道被陸續發現和利用之后，鋼軌逐漸演釀成今天我們熟悉的外形。它有廣大而平整的底面，可以很便利地固心猿意馬在枕木上；它的上端面有優良的圓弧過渡，可以與車輪的斜面很好貼合，這擔當了Barlow軌道的長處；它是T形鐵軌和“工”字形鐵軌的連系，擁有優異的機械布局強度；同時受益于材料學的前進，它在用鋼量上做到了最節流。

1898年賓夕法尼亞鐵路上利用的尺度鐵軌橫截面

值得注重的是，盡管履歷漫長的演變，鐵軌的樣子根基心猿意馬形，但宿世界列國執行的尺度各別，而且鐵軌利用的場所分歧，所以現實上良多鐵路所鋪設鋼軌規格也是不盡不異的。好比說通俗鐵路、重載鐵路和高速鐵路所利用的鋼軌在其外形上有些許區別，所采用的鋼材也會紛歧樣。

在美國和歐洲的一些城市，它們的有軌電車、地鐵和輕軌會利用一種帶法蘭槽的“工”字形鐵軌，以防止那些騎自行車的人陷入鐵軌兩側的溝槽里。

帶法蘭槽的鐵軌與尺度鐵軌的對比

這種帶凹槽的鐵軌并不合用于其它的尺度鐵路，因為槽里的積水會加快銹蝕，同時失落落此中的異物會造當作列車波動，嚴重的還會激發脫軌變亂。

為什么輪式列車要采用鋼軌？

我們從對鐵軌成長汗青的闡發已經知道，工字形鋼軌是今朝輪式列車最優的解決方案。它的強度更高、用料最省、價錢廉價，也更便利出產、鋪設與固心猿意馬。

列車為了獲得更大的速度，它起首需要降服地面臨車輪的阻力，車輪與地面之間存在滑動摩擦與滾動摩擦，我們需要在操縱滑動摩擦同時降服滾動摩擦。

當車輪與地面接觸時，接觸面積越大，其滾動時受到的阻力越大，我們從下面這張滾動受力闡發圖可以對滾動摩擦力有一個直不雅的領會：

從方形、12邊形到圓的滾動受力環境

由上圖我們可以看出，輪子受到的滾動阻力與它的重力G以及偏移量e相關，滾動阻力就是G·e。輪子與路面的剛性越大，e的長度就越小，滾動阻力就越小。反之，在車重不變的環境下，若是胎壓不足，輪胎就會癟下去一點，或路面比力軟，O'與瞬心O的距離e就越大，滾動阻力G·e就越大。鋼軌與車輪都是硬度很高的鋼，它們之間的接觸面做到了最小，是以火車受到的滾動摩擦力也可以達到最小。感樂趣的伴侶可以存眷我，讀我在6月份寫的一篇關于滾動阻力的闡發文章。