Dlaczego pociąg, tramwaj piszczą na zakręcie? Koło, szyna i fizyka pisku

Charakterystyczny, wysoki pisk pojawiający się podczas przejazdu pociągu albo tramwaju przez ciasny łuk nie jest zwykłym odgłosem "tarcia metalu o metal". To efekt złożonej współpracy koła i szyny. Na prostym torze stalowe koło może toczyć się bardzo spokojnie, ale na łuku pojawiają się ruchy poprzeczne, niewielkie poślizgi i zmienne siły w miejscu styku. W określonych warunkach układ koło-szyna zaczyna drgać, a drgania te mogą wzbudzić charakterystyczny dźwięk nazywany piskiem łukowym - z angielskiego curve squeal. Zjawisko jest szczególnie typowe dla łuków o małym promieniu.

Dlaczego zakręt jest dla zestawu kołowego problemem?

Samochód pokonuje zakręt dzięki temu, że jego lewe i prawe koło mogą obracać się z różnymi prędkościami. Koło znajdujące się po zewnętrznej stronie łuku ma do przebycia dłuższą drogę niż koło wewnętrzne, a mechanizm różnicowy pozwala skompensować tę różnicę.

Klasyczny kolejowy zestaw kołowy działa inaczej. Dwa koła są sztywno połączone osią i mają tę samą prędkość kątową. Na pierwszy rzut oka wydaje się więc, że podczas jazdy po łuku jedno z nich musi nieustannie ślizgać się po szynie.

Konstruktorzy kolei rozwiązali ten problem w bardzo sprytny sposób. Powierzchnia toczna koła nie jest idealnym cylindrem. Jej profil powoduje, że po niewielkim bocznym przesunięciu zestawu kołowego lewe i prawe koło mogą pracować na nieco innych efektywnych promieniach toczenia.

Koło po zewnętrznej stronie łuku może wówczas toczyć się po części profilu o większym promieniu, a wewnętrzne - o mniejszym. Mimo identycznej liczby obrotów oba pokonują więc nieco inne drogi. Ta właściwość pomaga zestawowi kołowemu samoczynnie ustawiać się w torze i pokonywać łuki bez ciągłego intensywnego tarcia.

Dlaczego koła pociągu nie są zwykłymi walcami?

Gdyby powierzchnie toczne obu kół były idealnie cylindryczne, różnica długości drogi na łuku rzeczywiście stanowiłaby duży problem. Odpowiedni profil koła umożliwia wykorzystanie różnicy promieni toczenia.

Nie oznacza to, że współczesne koło kolejowe jest po prostu geometrycznym stożkiem. Rzeczywiste profile są bardziej złożone i współpracują z odpowiednio ukształtowaną główką szyny. Z punktu widzenia zasady ruchu najważniejszy jest jednak efekt: przesunięcie zestawu względem środka toru może zmienić efektywne promienie toczenia obu kół.

Mechanizm ten ma swoje ograniczenia. Im ciaśniejszy łuk, tym większa różnica drogi pomiędzy szyną zewnętrzną i wewnętrzną. W pewnym momencie sama geometria profilu koła nie wystarcza już do uzyskania idealnego toczenia.

Dodatkowo zestaw kołowy nie zawsze ustawia się dokładnie promieniowo względem łuku. Konstrukcja wózka, rozstaw osi, zawieszenie, prędkość, stan profili kół i szyn oraz geometria toru wpływają na rzeczywiste położenie koła w kontakcie z szyną.

Skąd bierze się poślizg między kołem a szyną?

W kontakcie koło-szyna nie zawsze występuje idealne toczenie bez poślizgu. Pojawiają się bardzo małe różnice pomiędzy ruchem powierzchni koła a szyny określane w technice kolejowej jako creepage. Mogą mieć charakter podłużny, poprzeczny lub obrotowy.

Na ciasnym łuku szczególnie istotny może być ruch poprzeczny. Koło toczy się do przodu, ale jednocześnie w obszarze styku pojawiają się siły działające w poprzek kierunku jazdy.

Nie jest to poślizg podobny do zablokowanego koła samochodu podczas gwałtownego hamowania. Obszar kontaktu koła kolejowego z szyną jest niewielki, a w jego obrębie mogą jednocześnie występować strefy przylegania i mikropoślizgu.

Właśnie dlatego pozornie proste określenie "stalowe koło trze o stalową szynę" nie wyjaśnia tego, co naprawdę dzieje się na łuku.

Jak niewielki poślizg zmienia się w głośny pisk?

Sam poślizg nie musi być bardzo głośny. Istotne jest to, że tarcie może wzbudzić drgania całego układu. Koło nie jest idealnie sztywnym elementem. Pod wpływem sił może drgać podobnie jak metalowa tarcza.

Jeżeli warunki kontaktu koło-szyna sprzyjają niestabilności, niewielkie drganie może nie zostać wytłumione, lecz przeciwnie - otrzymywać kolejne porcje energii. Powstaje wówczas drganie samowzbudne.

Dlatego kolejowy pisk brzmi inaczej niż zwykły szum toczenia. Zamiast szerokiego zakresu częstotliwości słyszymy często wyraźny, wysoki ton. Układ zaczyna szczególnie intensywnie drgać w określonych zakresach związanych między innymi z własnymi postaciami drgań koła.

Można to porównać do przesuwania wilgotnego palca po krawędzi kieliszka. Sam ruch jest powolny, ale odpowiednie tarcie potrafi wzbudzić drgania szkła i wywołać dobrze słyszalny ton.

Czy piszczy obrzeże koła?

Często tłumaczy się pisk na zakręcie bardzo prosto: "obrzeże koła ociera o szynę". Taki kontakt rzeczywiście może występować i generować hałas, szczególnie na ciasnych łukach. Nie wyjaśnia jednak każdego przypadku pisku łukowego.

Klasyczny pisk łukowy może być związany również z poprzecznymi siłami i mikropoślizgiem w kontakcie powierzchni tocznej koła z główką szyny. Kontakt obrzeża może być dodatkowym źródłem dźwięku albo współwystępować z innymi mechanizmami.

To ważne rozróżnienie także z praktycznego punktu widzenia. Jeśli źródłem problemu jest kontakt obrzeża z boczną powierzchnią szyny, stosuje się inne podejście do ograniczania tarcia niż wtedy, gdy trzeba zmienić warunki kontaktu na górnej powierzchni szyny.

Dlaczego tramwaje piszczą częściej niż pociągi?

Pisk szczególnie łatwo zauważyć w komunikacji miejskiej. Nie wynika to z tego, że tramwajowe koła są z natury "głośniejsze". Najważniejsza jest geometria infrastruktury.

Kolej dalekobieżna może pozwolić sobie na łuki o dużych promieniach, ponieważ trasa jest projektowana na znacznie większym obszarze. Tramwaj musi natomiast zmieścić się w istniejącej ulicy, skrzyżowaniu albo ciasnej zabudowie miejskiej. Znacznie częściej spotyka więc łuki o małych promieniach.

Im ciaśniejszy łuk, tym trudniej zestawowi kołowemu uzyskać korzystne warunki toczenia. Rosną wymagane ruchy poprzeczne, zmieniają się punkty styku, a prawdopodobieństwo wystąpienia kontaktu obrzeża i dużych sił stycznych jest większe.

Do tego dochodzi inny sposób odbioru hałasu. Tramwaj porusza się kilka lub kilkanaście metrów od chodnika i budynków. Nawet krótki pisk jest więc bardzo dobrze słyszalny przez mieszkańców.

Czy deszcz może uciszyć pociąg?

Warunki panujące na powierzchni szyny mają znaczenie dla współczynnika tarcia. Woda, wilgoć, zanieczyszczenia, produkty korozji czy specjalnie nanoszone środki modyfikujące tarcie mogą zmieniać zachowanie kontaktu koła z szyną.

Dlatego ten sam pojazd na tym samym łuku nie musi piszczeć identycznie każdego dnia. Zmiana warunków tarcia może sprawić, że niestabilność odpowiedzialna za pisk przestanie się rozwijać albo przeciwnie - pojawi się przy innych parametrach ruchu.

Nie należy jednak sprowadzać tego do prostej reguły "mokre szyny nie piszczą". Kontakt koło-szyna odpowiada również za przyczepność podczas rozpędzania i hamowania, a zależność pomiędzy warunkami atmosferycznymi, tarciem i hałasem jest znacznie bardziej złożona.

Co mają do tego zużyte koła i szyny?

Profil koła nie pozostaje taki sam przez cały okres eksploatacji. Kontakt ze stalową szyną stopniowo zmienia jego kształt. Podobnie zużywa się sama szyna.

Zmiana profilu oznacza zmianę geometrii kontaktu. Inne mogą być efektywne promienie toczenia, miejsce styku, siły boczne oraz sposób prowadzenia zestawu w łuku.

Nie oznacza to oczywiście, że każdy piszczący pociąg ma zużyte koła. Pisk może występować również w prawidłowo utrzymanym układzie, jeżeli geometria łuku i warunki tarcia sprzyjają jego powstawaniu.

Utrzymanie odpowiedniego profilu jest jednak istotne nie tylko ze względu na hałas. Ma wpływ także na zużycie, siły działające pomiędzy pojazdem i torem oraz prowadzenie zestawu kołowego.

Jak ogranicza się pisk na łukach?

Nie istnieje jedna uniwersalna metoda. Najskuteczniejsze rozwiązanie zależy od tego, jaki mechanizm dominuje w konkretnym miejscu.

Smarowanie obrzeża. Jeżeli problem wiąże się z intensywnym kontaktem obrzeża koła z szyną, odpowiednie smarowanie może zmniejszyć tarcie i zużycie.

Modyfikatory tarcia na powierzchni tocznej. Stosuje się specjalne środki pozwalające utrzymywać tarcie w zaprojektowanym zakresie. Nie są one zwykłym smarem mającym maksymalnie zmniejszyć przyczepność.

Tłumienie drgań kół. Jeżeli pisk jest związany z silnymi drganiami koła, można zwiększać jego zdolność do rozpraszania energii. Stosowane są m.in. rozwiązania tłumiące i specjalne konstrukcje kół.

Utrzymanie profili. Szlifowanie szyn i reprofilacja kół pozwalają utrzymywać geometrię kontaktu w przewidzianym zakresie.

Zmiany konstrukcji toru. W określonych miejscach wykorzystuje się również elementy tłumiące drgania szyn i toru, maty wibroizolacyjne oraz inne rozwiązania zmniejszające emisję hałasu.

Nie każdy z tych środków jest skierowany konkretnie przeciwko piskowi łukowemu. Hałas kolejowy ma kilka źródeł, dlatego przed wyborem rozwiązania trzeba najpierw ustalić, który element rzeczywiście dominuje.

Dlaczego nie można po prostu posmarować całej szyny?

Pomysł wydaje się oczywisty: skoro problem powoduje tarcie, wystarczy zastosować dużo smaru. W kolejnictwie byłoby to jednak niebezpieczne uproszczenie.

Styk koła z górną powierzchnią szyny musi zapewniać odpowiednią przyczepność. To dzięki niemu pojazd może przenosić siłę napędową i skutecznie hamować. Nadmierne zmniejszenie tarcia pogorszyłoby te możliwości.

Dlatego trzeba rozróżnić smarowanie bocznej części kontaktu obrzeża od kontrolowania tarcia na powierzchni tocznej szyny. W drugim przypadku stosuje się środki zaprojektowane tak, aby zmienić charakter kontaktu, ale nie zamienić szyny w śliską powierzchnię.

To również jeden z powodów, dla których rozwiązanie skuteczne na jednym łuku nie musi być odpowiednie dla innego.

Pisk łukowy to tylko jeden rodzaj hałasu kolejowego

Głośny pisk jest spektakularny, dlatego łatwo utożsamić z nim cały hałas powodowany przez kolej. W rzeczywistości źródeł jest znacznie więcej.

Podczas normalnej jazdy po prostym torze występuje przede wszystkim hałas toczenia, związany m.in. z nierównościami powierzchni kół i szyn oraz drganiami obu elementów. Przy lokalnych nierównościach i nieciągłościach mogą pojawiać się dźwięki impulsowe. Osobną kategorię stanowią źródła związane z napędem, wentylatorami, przekładniami czy aerodynamiką pojazdu.

Najciekawsze jest jednak to, że bardzo głośny dźwięk może powstawać w miejscu styku mającym powierzchnię nieporównywalnie mniejszą od całego koła. O jego natężeniu nie decyduje bowiem wyłącznie wielkość kontaktu, ale to, czy siły tarcia potrafią wzbudzić drgania konstrukcji.

Dlatego pisk podczas przejazdu przez zakręt jest dobrym przykładem szerszego zjawiska występującego w technice: hałas nie zawsze jest bezpośrednim skutkiem dużej siły. Czasami wystarczy niewielkie, lecz odpowiednio powtarzalne wymuszenie, aby element konstrukcji zaczął intensywnie drgać i emitować dźwięk.

Kiedy więc następnym razem tramwaj albo pociąg zapiszczy na ciasnym łuku, niekoniecznie oznacza to awarię lub "suche koła". W ciągu kilku sekund można usłyszeć efekt współdziałania geometrii toru, profilu kół, sił tarcia, mikropoślizgu i drgań - czyli jednego z ciekawszych problemów na styku mechaniki, akustyki i transportu.