铁轨为什么铺满碎石？火车道岔是如何变换轨道的？ #科普 #科學 #科技 #机械 #火车 #物理

爲什麼火車鐵軌上有着密密麻麻的石頭呢? 乍一看,它們看起來和普通的鵝卵石差不多, 但如果我們細心觀察的話, 無論在什麼地方,甚至是無論哪個國家, 這些石頭的形狀和材質居然都是一樣的。 那麼這背後有什麼祕密呢? 來,一起看看。 分佈在鐵軌上的碎石有一個專業術語, 軌道壓載物,也叫道閘,或者道閘, 它們聚集在一起,就形成了軌枕的基礎。 道閘的厚度一般在25至30公分不等, 這個厚度會根據當地的地質條件而有所不同。 道閘通常由大量的碎石以及粗砂礫組成, 石質大多爲特級花崗岩, 但在某些情況下,也可使用一些其他替代品, 比如燒過的黏土。 它們的形狀各異,大小不一, 表面並不是光滑平整,邊緣也是參差不齊, 正是因爲這些特點, 它們聚在一起,就能形成一種天然的彼此自鎖, 使其自身保持一個相對穩定的位置。 如果用一些光滑的鵝卵石代替它們, 由於它們的形狀都差不多,摩擦力很小, 因此一旦受到擠壓, 它們就會相互滑動並錯位分開。 其實道閘存在的意義就是保護鐵軌。 先看第一點,固定住軌枕, 鐵軌上每天都有許多列車來回幾尺, 所以這些鐵軌每時每刻都在承受巨大的硬力以及壓力。 由於道閘的互鎖特性, 當列車行駛過來時,軌枕就不會發生縱向或者橫向移動。 如果沒有道閘,光禿禿的枕木就會在持續的壓力下很容易發生偏移, 從而釀成事故。 第二,分散壓力,火車的質量非常巨大, 鋼軌和軌枕都要承受巨大的壓力, 由於道閘此時都處於相互咬合的狀態, 如此一來,這些壓力就會被道閘均勻地分散到下面的地質層。 第三,減震,震動是工程領域一大難題,軌道系統也不例外, 由巨大質量和高速帶來的震動對鋼軌和軌枕傷害非常大, 除了火車自身的減震裝置以外, 下面的道閘層也能起到一個很好的減震緩衝作用, 這樣一來,相關的零部件的壽命就會提高一大截, 旅客的舒適度也會隨之提升不少。 第四,排水在強降雨天氣, 鐵軌很容易被積水淹沒, 這就會造成軌道生鏽,壽命縮減, 嚴重點還會造成線路的擁擠,甚至是停掉該線路。 道閘的存在能防止積水堵塞在軌枕周圍, 因爲它們之間存在着大量的縫隙, 積水通過這些縫隙就能很快排出去或者沉降到下面去。 第五,防止鐵軌上出現植被, 儘管我們對花花草草挺喜歡的,它們看着舒服呀, 但是這些花草如果出現在軌道上, 那將會對鐵軌的強度造成嚴重破壞, 因此相關明文規定鐵軌上不得出現植被, 而由於道閘的存在,植被就沒有紮根的地方, 你肯定沒見過石頭上能長出小草吧。 第六,吸收噪音, 火車的高速行駛產生的噪音是非常大的, 有了道閘,這一層的表面積就會瞬間成指數級道閘, 噪音就會被吸收得更徹底。 如果沒有道閘,光禿禿的鐵軌用來吸收噪音的只有地面, 所以這種情況下噪音會非常恐怖。 第七,最大程度上減少熱膨脹, 在高溫天氣,鐵軌往往會因爲高溫發生一定程度的膨脹, 有道閘墊底, 這種膨脹能保持在一個相對安全的最低限度, 從而提高軌道系統的安全性。 綜上所述,這些碎石看起來一點也不起眼, 但其作用堪稱全能。 值得一提的是,如果道閘中間積累了太多的污垢或者泥土, 它們的作用將會大打折扣, 比如減震吸造能力下降,排水能力下降等等。 此時,這段鐵軌就需要維護清掃了, 如果工作量不大,一般人工就可以完成, 但是如果路程太大,那麼就會由專門的維護工具去完成。 考考你們,有沒有工程師的思維, 假設現在有四輛火車,分別從四條不同方向的隧道出來, 爲了方便理解,分別給四條隧道命名爲A、B、C、D。 兩條相對的鐵軌會不可避免地在此處匯合點相交, 如果按照我們正常人的邏輯,把交接點融在一起就可以了。 因爲我們考慮的是汽車的輪胎,它是平面的, 自然能輕鬆通過這樣的軌道交叉點,但火車卻不行, 因爲它的車輪形狀通常是圓錐形,內側小,外側大, 而且在外側還有凸起來的輪圓, 它是爲了增加車輪在鐵軌上的穩定性, 防止火車拖軌而設計的, 但這樣的設計卻也給車輪在通過軌道相交處時帶來了麻煩, 拖起來的輪圓會被鐵軌卡住,使得列車無法通過, 那該怎樣設計呢?於是聰明的工程師就想到, 在軌道交接處切除出一條空隙,能讓火車輪圓能正常通過, 但實際應用中設置的還要更加完善, 在兩條軌道相交叉點處,安裝這種V形的折叉軌道, 並且在尖端部分增加兩個翼軌輔助引導車輪, 同時在另一頭的兩個軌道交叉點處, 也是複製一樣的操作安裝, 現在我們回頭再看看, 在不同軌道上行駛的火車輪, 都可以正常通過軌道交匯處了, 但這種簡易的菱形交叉口, 只是用於在同一條軌道上行駛的列車通過, 無法讓其改變軌道, 例如,在C軌道行駛來的列車, 這種菱形交叉口無法把它切換到B軌道上, 所以就出現了鐵路上的倒叉系統, 先是在交叉處增加一組彎曲的鐵軌, 然後再銜接着位置再續上兩段尖軌, 用螺絲把尖軌一端固定在鐵軌上, 而另一端連接到鐵道旁邊變軌器的推杆上, 那就簡單介紹一下這個變軌器, 也叫轉折器或是倒叉機, 這是一種用於操作鐵路倒叉的一種裝置, 用電或是液壓驅動尖軌, 從原來的位置移動到新的位置, 以此引導火車進入到指定的軌道, 在變軌過程中, 外側輪圓會卡在倒叉尖軌側壁上, 但當輪子前進一點時, 又碰到了新的問題, 如圖所示, 這邊的輪圓又會被這邊的彎軌阻擋, 不單是轉彎的被卡住, 就連在這條軌道上直線行駛的輪子也是如此, 那又該如何解決? 方法也簡單, 那就在這位置再增加一個變軌器, 當兩組變軌器都推到一側時, C軌與B軌就處於完全連通狀態, 如果只是這一組尖軌被推到左側時, 只有B軌和D軌處於連通狀態, 視頻中展現這種只是簡單的單開叉道, 後面還有雙開叉道, 三開叉道等, 列車就是通過叉道系統配合操作來實現不同的軌道組合。