هنالك قوى مختلفة تعمل على مقاومة حركة القطار على مسار السكك الحديدية، هذه القوى المقاومة قد تكون ناتجة عن حركة الأجزاء المختلفة للقاطرات وكذلك الاحتكاك بينها، أو القوى المخالفة لحركة القطار، أو المقاومة الجوية لقطار يتحرك بسرعة كبيرة، وتصمم القاطرة بقوة جر كافية للتغلب على هذه المقاومة وسحب القطار بأكمله بسرعة محددة، في هذا المقال سنذكر ماهية أهم هذه المقاومات وكيفية حسابها.
أنواع القوى المقاومة لحركة القطارات
1. القوى المقاومة بسبب الاحتكاك
المقاومة بسبب الاحتكاك: هي مقاومة ناتجة عن الاحتكاك بين الأجزاء الداخلية للقاطرات والعربات وكذلك بين السطح المعدني للسكك الحديدية وعجلة قطار يتحرك بسرعة ثابتة، هذه المقاومة غير معتمدة على السرعة ويمكن تقسيمها إلى الأجزاء التالية:
- احتكاك في مرتكز عمود الدوران (Journal friction): ويعتمد هذا على نوع المَحمِل (bearing) وعلى نوع زيوت التشحيم المستخدمة ودرجة الحرارة وحالة المَحمِل، وفي حالة المحامل الدوارة، فإنها تختلف من (0.5 إلى 1.0) كجم للطن.
- المقاومة الداخلية (Internal resistance): وهذه المقاومة ناتجة عن حركة أجزاء متنوعة من القاطرات والعربات.
- مقاومة التدحرج (Rolling resistance): وتحدث بسبب التفاعل ما بين عجلة القطار والسكك الحديدية على حساب حركة عجلات فولاذية على سكة حديدية، يتم إعطاء مقاومة الاحتكاك الكلية بواسطة الصيغة التجريبية التالية:
واط R1=0.0016W
حيث أن:
(R1): هي مقاومة الاحتكاك بغض النظر عن السرعة.
(W): وزن القطار بالطن.
2. القوى المقاومة بسبب عمل الموجة
عندما يتحرك قطار بسرعة، تنشأ مقاومة معينة بسبب عمل الموجة التي يسببها مقطع هيكل القطار، وبالمثل تقوم المقاومات المعاكسة مثل التفاوت الطولي للسكة والاختلافات في ارتفاعات المستويات المتقاطعة بمقاومة القطار المتحرك، وتختلف المقاومات باختلاف السرعات، حيث لا توجد طريقة دقيقة لحساب هذه المقاومات ولكن تم تطوير الصيغة التالية على أساس الخبرة:
R2 = 0.00008WV
حيث أن:
(R2): هي المقاومة بسبب حركة الموجة وتتبع القوى المقاومة الناتجة عن تفاوت مقطع السكة على طولها على حساب سرعة القطار.
(W): هي وزن القطار بالأطنان.
(V): هي سرعة القطار بوحدة (كم / ساعة).
3. القوى المقاومة بسبب الرياح
عندما تتحرك السيارة بسرعة، تتكون مقاومة معينة، كما هو الحال في السيارة للمضي قدمًا عكس الريح، تتكون مقاومة الرياح كمقاومة جانبية، ومقاومة الرأس ومقاومة الذيل، لكن حجم هذه المقاومة الدقيق يعتمد على حجم المركبة وشكلها وسرعتها واتجاه الرياح وسرعتها، مقاومة الرياح تعتمد على المنطقة المكشوفة للمركبة والسرعة واتجاه الرياح، وتتضح مركبات سرعة الرياح في الشكل الآتي:
حيث أن: (V) هي سرعة الرياح تميل بزاوية (θ) عن مسار اتجاه حركة القطار، وتنقسم الى مركبتين: مركبة أفقية معاكسة لاتجاه سير القطار (V cosθ)، ومركبة عمودية تؤثر على جانب القطار (V cosθ)، غالبًا الرياح تمارس أقصى ضغط عندما تأتي بزاوية (60) درجة عن اتجاه سير القطارات، ويمكن الحصول على قيمة مقاومة الرياح باستخدام الصيغة التالية:
R3 = 0.000017AV²
حيث أن:
(A): هي مساحة المنطقة المكشوفة للمركبة (m2).
(V): هي سرعة الرياح (كم / ساعة).
تدعم الدراسات أيضًا حقيقة أن العوامل المهمة التي تؤثر على مقاومة الرياح هي المنطقة المكشوفة للمركبة والسرعة النسبية للرياح كما في السيارات، في الواقع تعتمد مقاومة الرياح على الجذر التربيعي لسرعة الرياح، تم إنشاء الصيغة التالية تجريبياً على أساس هذه الدراسات:
R3 = 0.0000006WV²
حيث أن:
(R3): هي مقاومة الرياح بالأطنان.
(V): هي سرعة القطار بالكيلو متر في الساعة.
(W): هو وزن القطار بالطن.
