Πώς πετούν τα ελικόπτερα, και πώς στρίβουν και "πετούν" τα τρένα

 Πώς πετούν τα ελικόπτερα

Είναι φανερό το πώς πετούν τα ελικόπτερα, έχουν εκείνον τον μεγάλο έλικα από πάνω τους, που γυρίζει και τα ανυψώνει. Άλλωστε το λέει και η λέξη: "ο έλικας που είναι φτερό". Βέβαια υπάρχουν και άλλες "κακεντρεχείς" απόψεις, όπως: 

"Επειδή είναι τόσο άσχημα που η Γη τα απωθεί", ή ότι 
"Το ελικόπτερο πετάει, παρότι οι μηχανισμοί του προσπαθούν να καταστρέψουν ο ένας τον άλλο", ή η συμβουλή: "Μην μπαίνεις σε ελικόπτερο που ΔΕΝ έχει διαρροή υδραυλικών. Το πιθανότερο είναι ότι δεν έχει  μείνει σταγόνα!"

Όχι από τα πιο όμορφα μηχανήματα, ούτε με το απλούστερο στροφείο το ρωσσικό Kamov, έχει πάντως καταφέρει να απαλλαγεί από το ουραίο στροφείο. Η ίδια λύση εφαρμόζεται και στα τηλεκατευθυνόμενα ελικόπτερα για αρχάριους (με πολύ πιο απλό στροφείο φυσικά!)

Το γεγονός είναι ότι τα ελικόπτερα είτε τα αγαπάς, είτε τα μισείς.

Οι λόγοι να τα αγαπήσεις είναι πολλοί.

Πάνε παντού και με οποιεσδήποτε σχεδόν συνθήκες, μπορούν να αιωρηθούν, να ανέβουν κατακόρυφα, να κινηθούν αργά, να κάνουν όπισθεν, να στρίψουν επιτόπου, και μοιάζουν να είναι το πιο ικανό μέσο μεταφοράς που έχει επινοήσει ο άνθρωπος (για κάποιους περιορισμούς, βλέπε το ΥΓ).

Όσοι όμως αγαπούν την πτήση δεν θεωρούν το ελικόπτερο μια καθαυτού ιπτάμενη μηχανή, αλλά μια μηχανή που βασικά μπορεί να αιωρείται.

Είναι γεγονός, ότι το ελικόπτερο περιορίζεται σε ταχύτητα από αεροδυναμικά φαινόμενα στα στροφεία του, χρειάζεται σημαντικά μεγαλύτερη ισχύ από ένα αντίστοιχο αεροπλάνο, έχει πολύ μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, και επίσης κόστος απόκτησης, χρήσης και συντήρησης.

Αεροδυναμικά είναι ένας εφιάλτης αλληλοσυγκρουόμενων απαιτήσεων και συμβιβασμών, μηχανολογικά είναι «ζορισμένο» και πολύπλοκο, ενώ ποτέ δεν θα καταφέρει να απαλλαγεί εντελώς από κάποιους κραδασμούς και να πετάξει με τη «γλυκιά» αίσθηση ενός αεροπλάνου.

Επιπλέον, σε περίπτωση βλάβης του κινητήρα είναι πιο απαιτητικό στον χειρισμό του για να προσγειωθεί ομαλά απ’ ότι ένα αεροπλάνο και τέλος, δεν είναι εύκολο να εφοδιαστεί με βαλλιστικό αλεξίπτωτο για να αντιμετωπιστεί μια σοβαρή δομική αστοχία. Παρόλα αυτά, το ελαφρύ διθέσιο ιταλικό Zafhir είναι εφοδιασμένο με βαλλιστικό αλεξίπτωτο, τοποθετημένο επάνω από το κύριο στροφείο (εικόνα κάτω).

Ελικόπτερο σε ρόλο γερανού, ιδανικό για δυσπρόσιτες περιοχές.

Πράγματι, όπως είναι φανερό, το ελικόπτερο αποκτά την άνωσή του από τη μεγάλη έλικα που περιστρέφεται οριζόντια από πάνω του (κύριο στροφείο). Ο κινητήρας όμως δεν ξέρει ότι η δουλειά του είναι να γυρίζει μόνο το στροφείο. Αυτό που ξέρει είναι ότι πρέπει να γυρίζει τον άξονά του σε σχέση με τον ίδιο, και φυσικά περισσότερο θα γυρίσει ότι προβάλει μικρότερη αντίσταση.

Επειδή όμως ο κινητήρας μαζί με το ελικόπτερο έχει πολύ μεγαλύτερη αδράνεια σε σχέση με το στροφείο και τους μηχανισμούς του, το τελευταίο θα περιστραφεί προφανώς πολύ περισσότερο, αλλά και ο κινητήρας μαζί με το ελικόπτερο θα θέλει να περιστραφεί (πολύ λιγότερο όμως), και μάλιστα αντίστροφα.

Αυτό φυσικά θα πρέπει να αντιμετωπιστεί, και η συνηθέστερη μέθοδος είναι το ουραίο στροφείο, που ακριβώς αντισταθμίζει αυτή την αντίδραση ροπής του κινητήρα του ελικοπτέρου.

Πώς το ουραίο στροφείο αντισταθμίζει τη ροπή του κινητήρα. Υπόψη ότι το βέλος στο ουραίο δείχνει τη δύναμη που απαιτείται και όχι τη φορά του ρεύματος του αέρα, που είναι αντίθετη (δηλαδή προς τα δεξιά). Και για τους παρατηρητικούς: Κανονικά το ουραίο στροφείο (σε δεξιόστροφο κύριο στροφείο) θα έπρεπε να είναι δεξιά της ουράς, για να μην "φυσάει" επάνω της. Να σημειωθεί ακόμα, ότι επειδή η δύναμη από το ουραίο στροφείο δεν εφαρμόζεται ως  ζεύγος αντίρροπων δυνάμεων, σπρώχνει λίγο το ελικόπτερο προς το πλάι, κάτι που αντισταθμίζεται με ελαφρά κλίση του κύριου στροφείου προς την αντίθετη κατεύθυνση. 

Μάλιστα, το ουραίο στροφείο συνδέεται με άξονα με τον κύριο στροφείο, ώστε να παίρνει κίνηση ακόμα και στην περίπτωση που ο κινητήρας σταματήσει.

Στην τελευταία περίπτωση ο κινητήρας αποσυμπλέκεται αυτόματα από τα στροφεία για να μην τα φρενάρει, ώστε να εξακολουθούν να κινούνται από το ανοδικό ρεύμα του αέρα που δημιουργεί η (αναγκαστική πλέον) κάθοδος του ελικοπτέρου.

Μια άλλη μέθοδος με διπλό (όχι όμως ομόκεντρο) κύριο στροφείο, που επίσης καταργεί το ουραίο. 

Στην εικόνα, το αμερικανικό Kaman K-MAX.

Το πιο πολύπλοκο σύστημα όμως του ελικοπτέρου είναι οι μηχανισμοί των αρθρώσεων των πτερύγων των στροφείων του. Τα στροφεία περιστρέφονται με σταθερή ταχύτητα σε όλο τα φάσμα της πτήσης, αλλά και τα δύο μπορούν να μεταβάλουν το βήμα τους (δηλαδή την κλίση των πτερυγίων τους) ομοιόμορφα αλλά ανεξάρτητα το ένα από το άλλο, ενώ ειδικά το κύριο στροφείο μπορεί να δώσει διαφορετικό βήμα στις πτέρυγές του κατά τη διάρκεια κάθε περιστροφής.

Η σχετικά απλή αρχή λειτουργίας του κύριου στροφείου, όπου φαίνεται ο τρόπος που μεταφέρεται η  κίνηση της οδηγού πλάκας (lower swash plate) στην οδηγούμενη (upper swash plate). H κάτω μεταβάλλει την κλίση της ακολουθώντας τις κινήσεις του χειριστηρίου χωρίς να περιστρέφεται, ενώ η επάνω περιστρέφεται με τα πτερύγια, και αντιγράφει την κλίση της κάτω πλάκας. Η κάτω πλάκα (και φυσικά και η επάνω που την ακολουθεί) μπορεί να κινηθεί και κατά μήκος του άξονα, αλλάζοντας ομοιόμορφα το βήμα όλων των πτερύγων. Το Jesus Nut (ή Jesus Bolt), σημαίνει ότι το σπάσιμό του εξασφαλίζει άμεση συνάντηση μαζί Του! Στην πραγματικότητα σπάνια είναι ένα μόνο μπουλόνι, αν και ο άξονας είναι αναγκαστικά ένας.

Η πρώτη δυνατότητα καθορίζει την ανυψωτική δύναμη του ελικοπτέρου, και φυσικά πρέπει να συνδυαστεί με μεταβολή στο μοχλό του γκαζιού, ώστε να διατηρηθούν οι στροφές των στροφείων σταθερές.

Η δεύτερη δυνατότητα είναι αυτή που καθορίζει την οριζόντια κίνηση του ελικοπτέρου, καθώς για να κινηθεί προς τα εμπρός πχ, τα πτερύγια του κύριου στροφείου πρέπει να έχουν μεγαλύτερο βήμα όταν περνούν από το πίσω τόξο, παρά από το εμπρός, και φυσικά αυτό πρέπει να γίνεται όπως προαναφέρθηκε σε κάθε περιστροφή τους.

Πώς το ελικόπτερο κινείται προς τα εμπρός. Με την αύξηση του βήματος των πτερυγίων του κύριου στροφείου καθώς περνούν από το πίσω μέρος του ελικοπτέρου, «πετούν ψηλότερα» στην περιοχή αυτή, ενώ το αντίστροφο συμβαίνει στην εμπρός περιοχή.

Με αυτόν τον τρόπο το στροφείο «γέρνει» προς τα εμπρός και έλκει το ελικόπτερο στην ίδια κατεύθυνση. Υπόψην ότι δεν μετακινείται, ούτε γέρνει ο άξονας του στροφείου αλλά μόνο τα πτερύγια, καθώς συνδέονται στον άξονα με άρθρωση ή ελαστικούς συνδέσμους.

Με αντίστοιχο τρόπο το ελικόπτερο παίρνει πλάγιες κλίσεις, που του επιτρέπουν να κινηθεί προς το πλάι (σε αιώρηση), ή να στρίψει όταν κινείται προς τα εμπρός.

Το ελικόπτερο για να στρίψει πρέπει να πάρει κλίση όπως τα αεροπλάνα, το ουραίο στροφείο μπορεί να το περιστρέψει πρακτικά μόνο σε αιώρηση.

Η αρχή λειτουργίας μπορεί να είναι (σχετικά) απλή, η κατασκευή όμως του στροφείου ενός ισχυρού ελικοπτέρου δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση.

Η δυνατότητα του ελικόπτερου να πετάει σιγά και να απογειώνεται και προσγειώνεται κάθετα, κάνει πολλούς να νομίζουν ότι ο χειρισμός του είναι εύκολος.

Ισχύει ακριβώς το αντίθετο.

Το ελικόπτερο από τη φύση του είναι ασταθές, και σε αντίθεση με το αεροπλάνο που όταν το ρυθμίσεις μπορεί να πετάει σταθερά χωρίς ο πιλότος να αγγίζει τα χειριστήρια, το ελικόπτερο απαιτεί συνεχείς μικροδιορθώσεις.

Κάποιος εύστοχα παρομοίασε τον χειρισμό του ελικοπτέρου με την άσκηση ισορροπίας μιας ράβδου στο άκρο του δάκτυλου.

Και όπως συμβαίνει με τη ράβδο, όσο μικρότερο το ελικόπτερο τόσο πιο απαιτητικός γίνεται ο χειρισμός του.

Αυτό απαντά και στο γιατί τα τηλεκατευθυνόμενα μοντέλα ελικοπτέρων (που έχουν ακριβώς τους ίδιους μηχανισμούς με τα μεγάλα), σχεδόν κανείς δεν μπορεί να τα πετάξει χωρίς κάποια ηλεκτρονικά συστήματα ευστάθειας (γυροσκόπια).

Ένα ελικόπτερο-αεροπλάνο (Osprey) που προσπαθεί να συνδυάσει τα πλεονεκτήματα και των δύο, με το σύστημα στροφείων - κινητήρων να μπορεί να αλλάξει κατεύθυνση κατά 90 μοίρες. Πολύπλοκο όμως, και μόνο για στρατιωτική χρήση. Στη συγκεκριμένη φωτογραφία, εξαιτίας των τοπικών συνθηκών υγρασίας - θερμοκρασίας δημιουργούνται ίχνη συμπύκνωσης από τα ακροπτερύγια των στροφείων.

Μια αρκετά πιο απλή κατασκευή (ιδιαίτερα αγαπητή στους ερασιτέχνες) είναι το αυτόγυρο, που μειώνει το κόστος κατασκευής και χρήσης και απλοποιεί τον χειρισμό, με ελεύθερο στροφείο και προωθητική έλικα που μόνο αυτή συνδέεται στον κινητήρα. Στην εικόνα επάνω, διακρίνεται η ροή του αέρα στο στροφείου ενός αυτόγυρου (αριστερά), σε σχέση με αυτή ενός ελικόπτερου (δεξιά), σε συνθήκες σταθερής οριζόντιας πτήσης.

Το αυτόγυρο χρειάζεται αρκετό* διάδρομο για να απογειωθεί, μπορεί όμως να προσγειωθεί σχεδόν κατακόρυφα. Περιορίζεται πάντως σε μέγιστη ταχύτητα όπως και το ελικόπτερο, από το γεγονός ότι η πτέρυγα στην κίνησή της προς τα εμπρός (στην ουσία τα ακροπτερύγια) δεν μπορεί να ξεπεράσει την ταχύτητα του ήχου, σε σχέση με το ρεύμα αέρα στο οποίο κινείται.

*Για να αντιμετωπιστεί αυτό το μειονέκτημα, μπορεί να τοποθετηθεί ένας μηχανισμός που μοιάζει με τη μίζα του αυτοκινήτου (prerotator) και παίρνει κίνηση από τον κινητήρα (σε σχετικά χαμηλά στροφές), ώστε να φέρει το στροφείο κοντά στις ονομαστικές στροφές του. Στη συνέχεια με έναν χειρισμό ο μηχανισμός αποσυμπλέκεται οπότε η κίνηση να δίνεται μόνον στην έλικα, το γκάζι ανοίγει, οι στροφές ανεβαίνουν και η απογείωση έρχεται πολύ σύντομα.

Και ένα δέσμιο αυτόγυρο χωρίς κινητήρα, το Fa-330 που ανυψώνονταν συρόμενο σαν χαρταετός από ορισμένα γερμανικά υποβρύχια κατά τον Β'ΠΠ, και χρησίμευε σαν προσωρινό υπερυψωμένο παρατηρητήριο. 

Μια και αναφερθήκαμε παραπάνω στα τηλεκατευθυνόμενα, θα έχετε παρατηρήσει ότι τελευταία έχουν κατακλύσει την αγορά τα multicopters (ή drones), τηλεκατευθυνόμενες συσκευές με πολλούς οριζόντιους έλικες που συνήθως χρησιμοποιούνται για φωτογραφίσεις και βιντεοσκοπίσεις. 
Αυτά δεν μπορούν να θεωρηθούν ελικόπτερα, καθώς βασικά μπορούν μόνο να αιωρούνται (αλλά με μεγάλη ακρίβεια και σταθερότητα χάρη στα εξελιγμένα ηλεκτρονικά τους και επικοινωνία με GPS) επειδή οι έλικές τους δεν είναι στροφεία, δεν μπορούν δηλαδή να αλλάξουν βήμα και οι αλλαγές κατεύθυνσης γίνονται μόνο με διαφοροποίηση στην ταχύτητα των ηλεκτροκινητήρων των ελίκων. 
Καθώς τα multicopters είναι εύκολα στη χρήση τους, πέρα από τις βιντεοσκοπήσεις κάποιες εταιρείες σκέφτονται τη χρήση τους για παράδοση πακέτων «κατ’ οίκον», οπότε μάλλον θα υπάρξει συμφόρηση στους ουρανούς και ενδεχομένως προκύψουν και προβλήματα ασφαλείας. Μάλιστα σχετικά πρόσφατα (Απρίλιος 2016), η ολλανδική αστυνομία εκπαιδεύει αετούς (τα πουλιά), για να καταρρίπτουν drones που θα θεωρηθούν επικίνδυνα, ή ύποπτα για τρομοκρατικές ενέργειες.

Μια εικόνα από το όχι πολύ μακρινό μέλλον ενός Drone-taxi, που κάποια στιγμή θα συνδυαστεί και με αυτόνομη πτήση. Φυσικά είναι ηλεκτροκίνητο.

Τέλος, μια ακόμα διαφορά μεταξύ ελικοπτέρων και αεροπλάνων (για τους παρατηρητικούς), είναι ότι ο κυβερνήτης στο αεροπλάνο ασχέτως μεγέθους, κάθεται αριστερά, ενώ στο ελικόπτερο δεξιά.

Ο λόγος είναι ότι στα αεροδρόμια ο κύκλος για την προσγείωση των αεροπλάνων είναι παραδοσιακά αριστερόστροφος, οπότε η αριστερή θέση παρέχει καλύτερη ορατότητα.

Τα ελικόπτερα όμως προσεγγίζουν συνήθως κατ’ ευθείαν, και επί πλέον ο (κατά κανόνα δεξιόχειρας) κυβερνήτης από τη δεξιά θέση κάνει καλύτερη χρήση των χεριών του, μια και το ελικόπτερο φροντίζει να του τα κρατά συνεχώς απασχολημένα!

Και κάτι για τους πιο ειδικούς: Παραδοσιακά τα αμερικανικά, ιαπωνικά και ορισμένα ευρωπαϊκά ελικόπτερα έχουν το κύριο στροφείο αριστερόστροφο, όπως το κοιτάμε από επάνω, ενώ τα ρωσικά και τα περισσότερα ευρωπαϊκά δεξιόστροφο (όπως στο σχέδιο πιο πάνω). Το δεξιόστροφο έχει πλεονέκτημα όταν το ελικόπτερο βρίσκεται σε αιώρηση, καθώς πρέπει να γέρνει ελαφρά δεξιά για να αντισταθμίσει τη μεταφορική τάση από το ουραίο στροφείο, έτσι δίνει καλύτερη ορατότητα στον κυβερνήτη προς τα κάτω και διευκολύνει στις επιχειρήσεις με βαρούλκο διάσωσης (που είναι φυσικά τοποθετημένο δεξιά για άμεση ορατότητα από τον κυβερνήτη). 

Επίσης, το δεξιόστροφο σύστημα διευκολύνει τους πιλότους με εμπειρία από ελικοφόρα αεροσκάφη να διατηρήσουν το ρεφλέξ "πίεση στο δεξί ποδωστήριο για αύξηση ισχύος", καθώς το ίδιο ισχύει και για τα ελικόπτερα αυτής της διάταξης. Αντίθετα, για τα αριστερόστροφα ισχύει το "left to lift" (αριστερό <πόδι> για ανύψωση).

Η καλύτερη εικόνα που μπορεί να αντικρύσει ένας ναυαγός. Τα σύγχρονα ελικόπτερα διάσωσης όχι μόνο μπορούν να σταθεροποιηθούν αυτόματα πάνω από ένα σημείο, αλλά εφόσον βρίσκονται πάνω από πλοίο σε θαλασσοταραχή μπορούν να συγχρονιστούν και με το σκαμπανέβασμα του πλοίου, διατηρώντας σταθερή την απόστασή τους από το κατάστρωμα.

Στην εικόνα φαίνονται οι βασικές απαιτήσεις για να κερδηθεί το βραβείο Sikorsky των 250.000$, για αιώρηση ελικοπτέρου με μυϊκή δύναμη. Το βραβείο, που είχε αθλοθετηθεί το 1980, κερδήθηκε μόλις στις 13/6/2013 από την ομάδα του πανεπιστημίου του Τορόντο με τη συσκευή «Atlas» που σκιαγραφείται στην εικόνα, καταδεικνύοντας τον απαιτητικό μηχανισμό του ελικοπτέρου σε ισχύ και έλεγχο. Για σύγκριση, το αντίστοιχο βραβείο Kremer για πτήση αεροπλάνου με μυϊκή δύναμη που αθλοθετήθηκε το 1959, κερδήθηκε το 1977 .

  

Ένα ελικόπτερο μπορεί να εκτελέσει ακροβατικά, αλλά απαιτούνται ειδικές μετατροπές, πλούσιος χορηγός και τολμηρός πιλότος!

ΥΓ. Αν και είναι γενική η αντίληψη ότι τα ελικόπτερα πάνε παντού (εφόσον οι καιρικές συνθήκες το επιτρέπουν), έχουν και αυτά τους περιορισμούς τους. Οι περιορισμοί υπάρχουν για να εξασφαλίσουν ότι σε περίπτωση βλάβης του κινητήρα, το ελικόπτερο μπορεί να προσγειωθεί εκτελώντας "αυτοπεριστροφή", έναν λεπτό χειρισμό που μπορεί να κατεβάσει το ελικόπτερο στο έδαφος με ασφάλεια. Όμως, πρέπει να αποφεύγεται ο συνδυασμός υψόμετρου / ταχύτητας που φαίνεται με κόκκινο στο επάνω διάγραμμα, καθώς τότε δεν εξασφαλίζεται αρκετή δυναμική και κινητική ενέργεια στον διαθέσιμο χρόνο, για να εκτελεστεί η μανούβρα με επιτυχία. Συνιστώμενο σχετικό βίντεο: https://www.youtube.com/watch?v=BkF4b6OuXJ0

Πώς στρίβουν και πώς "πετούν" τα τρένα.

Η απάντηση στο πρώτο ερώτημα μοιάζει προφανής.

Οι τροχοί των τρένων έχουν ένα «νύχι» ή φλάντζα στην εσωτερική πλευρά τους, που δεν τους αφήνει να φύγουν από τις σιδηροτροχιές.

Όμως, αν οι τροχοί βασίζονταν μόνο στο νύχι για να μείνουν επάνω στις τροχιές, θα υπήρχε συχνή επαφή του νυχιού με τις ράγες προξενώντας θόρυβο, φθορά και ταλαντώσεις.

Στην πραγματικότητα, οι τροχοί των τρένων πέρα από το νύχι έχουν και μία κωνικότητα, η οποία είναι αυτή που τους κρατάει κεντραρισμένους στις ράγες και επίσης τους βοηθάει να ακολουθούν τις (ούτως ή άλλως ανοικτές) καμπές των σιδηροτροχιών.

Έτσι, ακόμα και χωρίς τιμόνι, το τρένο καταφέρνει να στρίψει!

Αυτή η κωνικότητα είναι μειωμένη στα τρένα υψηλών ταχυτήτων για αύξηση της σταθερότητας, αλλά σε αυτές τις περιπτώσεις οι καμπές επίσης είναι ακόμα πιο "ανοιχτές".

Στην αριστερή εικόνα, οι τροχοί κινούνται στην ευθεία και είναι κεντραρισμένοι στις ράγες. 

Στην δεξιά, το τρένο κινείται σε δεξιά καμπή (πηγαίνοντας «μέσα» στη σελίδα), οπότε από τις δυνάμεις αδράνειας ο αριστερός τροχός πλησιάζει το νύχι του στη ράγα, ενώ ο δεξιός το απομακρύνει.

Αυτό έχει σαν συνέπεια, εξαιτίας της κωνικότητας της επιφάνειά τους, ο αριστερός τροχός να «πατάει» σε μεγαλύτερη διάμετρο απ’ ότι ο δεξιός, με αποτέλεσμα το σύστημα άξονα και τροχών (που είναι ενιαίο) να τείνει να στρίψει δεξιά. Το ίδιο φαινόμενο φροντίζει ώστε οι τροχοί να κεντράρονται στις τροχιές όταν το τρένο κινείται σε ευθεία και να μην ακουμπούν το νύχι τους στη ράγα, καθώς οποιαδήποτε απόκλιση τείνει να στρίψει το σύστημα των τροχών διορθωτικά. 

Στο βίντεο: https://youtu.be/WAwDvbIfkos, ο διάσημος Φυσικός Richard Feynmann εξηγεί αυτό ακριβώς (στα αγγλικά).

Τα σύγχρονα τρένα με τα μακριά βαγόνια θα είχαν πρόβλημα να στρίψουν στις σχετικές κλειστές στροφές των παλιών σιδηροδρομικών γραμμών. Για να λυθεί το πρόβλημα αυτό, οι τροχοί τοποθετούνται ανά δύο ζεύγη σ’ ένα κοινό «φορείο» (bogie), το οποίο στηρίζει τις δύο άκρες του βαγονιού μέσω ενός κατακόρυφου άξονα, που επιτρέπει στο φορείο να παίρνει μικρή κλίση ως προς το βαγόνι. Το σύστημα αυτό περιλαμβάνει αρκετά ελατήρια και αμορτισέρ, για την καλύτερη απόσβεση των κραδασμών.

Τα σύγχρονα γρήγορα τρένα χρειάζονται και ομαλές σιδηροτροχιές. Η παλαιότερη λύση με τα κάθετα διάκενα (για τις διαστολές) που προκαλούσαν και τον χαρακτηριστκό ήχο της κύλισης του τρένου δεν είναι πλέον αποδεκτή*, οπότε είτε χρησιμοποιούνται λοξά διάκενα όπως στη φωτογραφία επάνω, είτε οι ράγες συγκολλούνται. Στην τελευταία περίπτωση όμως, για να αποφευχθούν στρεβλώσεις από τις διαστολές, πριν από την συγκόλληση οι ράγες είτε προθερμαίνονται είτε εφελκύονται, ώστε όταν θερμανθούν από το περιβάλλον να μειωθεί ή και να μηδενιστεί ο εφελκυσμός τους. Φυσικά σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, οι ράγες βρίσκονται σε εφελκυσμό, αλλά αυτό δεν μπορεί να τις στραβώσει καθώς μάλιστα οι συγκολλημένες ράγες συνήθως συνδυάζονται με τις πολύ ισχυρότερες τραβέρσες από μπετόν.

* Η σύνδεση των ραγών στις περιπτώσεις αυτές γίνονταν με πλάκες που βίδωναν εκατέρωθεν του άκρου κάθε ράγας με δύο περαστές βίδες ανά ράγα, αλλά υπήρχε αρκετός "τζόγος" μεταξύ των μπουλονιών και των οπών ώστε να επιτρέπεται ολίσθηση μεταξύ των ραγών (χρησιμοποιώντας και λίπανση) μέχρι και μισή ίντσα (13mm) το μέγιστο.

Πριν εξετάσουμε όμως το δεύτερο ερώτημα του τίτλου, δηλαδή αυτό της αναγκαιότητας των τροχών, ας δούμε σε εικόνες μερικούς σημαντικούς σταθμούς στην ιστορία των τρένων.

Η Rocket, η πρώτη πρακτική ατμομηχανή, σχεδιασμένη και κατασκευασμένη το 1829 από τον  Stephenson, με μέγιστη ταχύτητα 46 χλμ/ω.

Μια τυπική ατμομηχανή. Διακρίνονται οι κύλινδροι (μπλέ) που μετατρέπουν την πίεση του ατμού σε παλινδρομική κίνηση και οι διωστήρες που τη μετατρέπουν σε περιστροφική στους τροχούς. Τον κύριο όγκο της ατμομηχανής καταλαμβάνει ο λέβητας, που παράγει τον ατμό και τον... καπνό.

 Λεπτομέρεια της λειτουργίας της ατμομηχανής, και ο τρόπος που μεταδίδεται η κίνηση στους τροχούς. Να σημειωθεί ότι, καθώς η σύνδεση κάθε ζεύγους τροχών στον κοινό άξονα είναι συμπαγής, από την άλλη πλευρά η σύνδεση των τροχών στο βάκτρο είναι μετατοπισμένη κατά 90 μοίρες, ώστε σε όποια θέση και να σταματήσει η ατμομηχανή να μπορεί να μεταφερθεί ροπή στους τροχούς για να αρχίσουν να περιστρέφονται.

Στο εύλογο ερώτημα, γιατί ο ατμός στις ατμομηχανές των τρένων χάνεται στην ατμόσφαιρα και δεν συμπυκνώνεται για να επαναχρησιμοποιηθεί σαν νερό, η απάντηση είναι ότι γίνεται, αλλά μόνον όταν προβλέπεται ότι θα κινούνται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς δυνατότητα ανεφοδιασμού σε νερό και καύσιμα. Στην εικόνα επάνω, το βαγόνι-συμπυκνωτής ενός τρένου της Νοτιο-αφρικανικής Ένωσης, πολύ μακρύτερο από την ίδια την ατμομηχανή!

 

Ένα τρένο πολύ μπροστά από την εποχή του. Το 1907 κατασκευάστηκε αυτό το τρένο μονής τροχιάς (monorail) το οποίο διατηρούσε την ισορροπία του με δύο μεγάλα διασυνδεδεμένα γυροσκόπια. Δεν προχώρησε πέρα από το πειραματικό στάδιο, ενώ τα σημερινά τρένα μονής τροχιάς, που χρησιμοποιούνται κυρίως σε υπερυψωμένες τροχιές σε πόλεις, σταθεροποιούνται με βοηθητικούς τροχούς στα πλάγια (εκτός αν είναι "κρεμαστά"). Για το τρένο του 1907, υπάρχει ένα πολύ καλό βίντεο (μαζί με τις αναπόφευκτες διαφημίσεις) εδώ: https://www.youtube.com/watch?v=kUYzuAJeg3M

Σύγχρονο τρένο μονής τροχιάς, αλλά με συμβατική σταθεροποίηση (με πλευρικούς τροχούς)

 Η Mallard (επάνω), που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας με 202 χλμ/ω για ατμοκίνητα τρένα από το 1938. Η ατμομηχανή απέκτησε το αεροδυναμικό της κάλυμμα μετά από επίσκεψη του κατασκευαστή της στον Ε. Bugatti, που ήταν πρωτοπόρος στη χρήση της αεροδυναμικής στα αυτοκίνητα. O κατασκευαστής της, φρόντισε επίσης να καλύψει και τα κενά ανάμεσα στα βαγόνια. Ένα άλλο σημαντικό θέμα της αεροδυναμικής των ατμοκίνητων τρένων ήταν να εξασφαλιστεί ότι ο καπνός δεν θα εισχωρούσε στα βαγόνια. Αυτό επιτεύχθηκε με δύο "παρωπίδες" στο εμπρός μέρος της ατμομηχανής, δίπλα στο φουγάρο (κάτω).

Τυπική διάταξη ηλεκτρικής μετάδοσης ισχύος, σε ντιζελοκίνητη μηχανή έλξης (locomotive). Ο ντιζελοκινητήρας (μπλε) κινεί μια γεννήτρια (μωβ), της οποίας η ισχύς ελέγχεται από ένα σύστημα με ρελέ και αντιστάσεις (καφέ), ενώ το ρεύμα τροφοδοτεί τελικά τους κινητήρες (πράσινο) που βρίσκονται σε κάθε άξονα. Με αυτόν τον τρόπο αποφεύγονται οι ογκώδεις μειωτήρες, ο έλεγχος της ταχύτητας είναι πολύ ομαλός και την έλξη την μοιράζονται όλοι οι  τροχοί, πολύ σημαντικός παράγοντας σε μεγάλες κλίσεις ή συνθήκες ολισθηρότητας (ο συντελεστής τριβής σίδερο με σίδερο είναι σχετικά μικρός).

Για τη βελτίωση του συντελεστή τριβής, σε μεγάλες κλίσεις ή και σε έντονο φρενάρισμα, μια ποσότητα άμμου που έχει αποθηκευτεί στη μηχανή έλξης εγχέεται μεταξύ τροχών και σιδηροτροχιάς.

Μερικές φορές όμως χρειάζεται και το αντίθετο. Έντονη ολίσθηση των τροχών χωρίς φθορά των ραγών, ώστε οι μηχανικοί να ελέγξουν τη λειτουργία του πολύπλοκου μηχανισμού κίνησης, σε στάση. Στις περιπτώσεις αυτές, οι ράγες αλοίφονται με γράσο.
 

To τρένο που παίρνει κλίση. Για να μπορέσει να αυξηθεί η ταχύτητα του τρένου πέρα από την ιδανική που επιβάλλει η (συνήθως μικρή) κλίση των σιδηροτροχιών, τη δεκαετία του ’80 κατασκευάσθηκαν (στην Αγγλία) και χρησιμοποιήθηκαν τρένα που το αμάξωμά τους μπορούσε να πάρει κλίση σε σχέση με τα φορεία των τροχών. Αν και η δοκιμή ήταν επιτυχημένη και με αυτόν τον τρόπο εξουδετερώνονταν οι αδρανειακές δυνάμεις που θα ενοχλούσαν τους επιβάτες, η πολυπλοκότητα της κατασκευής δεν ευνόησε την επικράτηση της μεθόδου.

Μία λύση που χρησιμοποιεί το γαλλικό Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας (TGV) για να περιορίσει τις εγκάρσιες ταλαντώσεις στη σύνδεση των βαγονιών που μπορεί να συμβούν σε μεγάλες ταχύτητες, είναι η χρήση κοινού φορείου τροχών μεταξύ των βαγονιών.

Το τρένο που κατέρριψε (και κατέχει) το ρεκόρ ταχύτητας για τρένα σε σιδηροτροχιά με 575 χλμ/ω, κατά τη διαδρομή που του εξασφάλισε το ρεκόρ, το 2007. Προσέξτε τους θεατές, που είχαν συγκεντρωθεί για το γεγονός.

 

Για να καλύτερο φρενάρισμα, μερικά  τρένα μεγάλης ταχύτητας χρησιμοποιούν και αεροδυναμικά φρένα, όπως τα αεροπλάνα.

Το Aerotrain ήταν μια προσπάθεια μεταξύ των ετών 1965 - 1977 από τον Γάλλο Jean Bertin για ένα Τρένο Μεγάλης Ταχύτητας, που θα κινείτο σε στρώμα αέρα (σαν hovercraft), κατά μήκος μιας γραμμής - οδηγού σχήματος  αντεστραμμένου Τ. Τον Μάρτιο του 1974 μία πιο εξελιγμένη εκδοχή από αυτή της φωτογραφίας έφτασε τα 430 km/h, κινούμενο σε γραμμή μήκους 18 km. Ο θάνατος του εφευρέτη του τρία χρόνια αργότερα και η απόφαση των γαλλικών σιδηροδρόμων να στραφούν στα τρένα τεχνολογίας TGV, σταμάτησαν τις περαιτέρω προσπάθειες. Το γαλλικό Aerotrain δεν πρέπει να συγχέεται με το ομώνυμο αμερικάνικο κατασκευής 1950 της General Motors, το οποίο ήταν συμβατικής κατασκευής αλλά αεροδυναμικό και χρησιμοποιούσε αερανάρτηση.

Μακέτα εισόδου τούνελ για τρένο μεγάλης ταχύτητας. Τα ανοίγματα στην οροφή στην είσοδο του τούνελ μειώνουν τον κρότο από την απότομη συμπίεση του αέρα, τη στιγμή που το τρένο εισέρχεται στο τούνελ.

Τα τρένα μεγάλης ταχύτητας, που μπορούν δηλαδή να αναπτύξουν ταχύτητες πάνω από 250 χιλ/ω, γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη στην Ευρώπη και την Ιαπωνία (και τελευταία και στην Κίνα), επειδή σε αποστάσεις μερικών εκατοντάδων χιλιομέτρων συναγωνίζονται με επιτυχία τα αεροπλάνα σε συνολικό χρόνο ταξιδιού, καθώς έχουν το πλεονέκτημα οι σταθμοί τους να βρίσκονται στο κέντρο των πόλεων.

Στην Ελλάδα το τρένο δεν είναι ιδιαίτερα δημοφιλής τρόπος ταξιδιού,  καθώς η παλιά χάραξη της μοναδικής ουσιαστικά γραμμής που διασχίζει την Ελλάδα δεν επιτρέπει μεγάλες ταχύτητες, εξαιτίας του ορεινού κατά βάση εδάφους.

Όμως, μερικοί ειδικοί συρμοί παραμένουν δημοφιλείς για τουριστικές διαδρομές ιδιαίτερου φυσικού κάλλους, όπως στο φαράγγι του Βουραϊκού στα Καλάβρυτα, στο Πήλιο και στον Νέστο.
Πολύ ωραίο είναι και το κομμάτι της ορεινής διαδρομής από Μπράλο μέχρι Λαμία, που περνάει τις γέφυρες Παπαδιάς, Ασωπού και Γοργοπόταμου.

Ο  νέας γενιάς «οδοντωτός» στο φαράγγι του Βουραϊκού (διαδρομή Διακοφτό – Καλάβρυτα). Διακρίνεται η μεσαία τροχιά με την οδόντωση, που υπάρχει στα τμήματα της διαδρομής που η κλίση είναι μεγάλη και εμπλέκεται σε ειδικό κινητήριο γρανάζι στο κάτω μέρος του τρένου.

Αλλά και στις ΗΠΑ το τρένο δεν είναι πολύ δημοφιλές για τους επιβάτες (είναι για τα εμπορεύματα), καθώς για τις μεσαίες αποστάσεις προτιμάται η χρήση του αυτοκινήτου. Γι’ αυτό και στις στις ΗΠΑ η τεχνολογία των τρένων είναι σχετικά ξεπερασμένη.

Η τελευταία εξέλιξη στην τεχνολογία των τρένων είναι τα τρένα μαγνητικής αιώρησης, που όπως υπονοήσαμε στην αρχή του άρθρου, είναι αυτά που πρακτικά δεν χρειάζονται τροχούς.

Τα τρένα μαγνητικής αιώρησης (MAGLEV = MAGnetic LEVitation), είναι δύο βασικών τύπων. Ηλεκτρομαγνητικής αιώρησης (επάνω 1^η εικόνα) και ηλεκτροδυναμικής αιώρησης (επάνω 2^η εικόνα). 
Στην πρώτη περίπτωση, οι κύριοι ηλεκτρομαγνήτες του τρένου το έλκουν προς τη «ράγα», ενώ οι πλευρικοί ηλεκτρομαγνήτες το κεντράρουν.
Πλεονέκτημα είναι ότι δεν χρειάζονται τροχοί, καθώς το σύστημα δουλεύει και εν στάσει. Μειονέκτημα, τα πολύπλοκα ηλεκτρονικά ώστε να ελέγχεται και να ρυθμίζεται συνεχώς και ταχύτατα η έλξη των μαγνητών (ή έλξη των μαγνητών μεταβάλλεται με το αντίστροφο του κύβου της απόστασης), για να διατηρούνται τα διάκενα σταθερά.

Στη δεύτερη περίπτωση, ισχυροί μαγνήτες επάνω στο τρένο καθώς κινείται επάγουν ρεύμα σε πηνία στα πλάγια της ράγας, έτσι ώστε η αντίθετη πολικότητα που δημιουργείται αυτόματα (εξαιτίας της επαγωγής) να σηκώνει και να κεντράρει το τρένο. 
Καθώς μάλιστα το φαινόμενο δημιουργεί άπωση, όλα τα διάκενα αυτορυθμίζονται. 
Πλεονέκτημα, η απλούστερη κατασκευή. 
Μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται τροχοί για να υποστηρίζουν το τρένο όταν κινείται με μικρή ταχύτητα (κάτω από τα 100 χλμ/ω), και φυσικά όταν είναι σταματημένο.
Στις μεγάλες ταχύτητες, έχουν επικρατήσεις τα MAGLEV ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. 

Και στις δύο μεθόδους μαγνητικής αιώρησης, η προώθηση του τρένου γίνεται με ξεχωριστά πηνία (απ' αυτά της αιώρησης) που βρίσκονται επάνω στη ράγα και επιδρούν με τους μαγνήτες επάνω στο τρένο, με την ίδια περίπου αρχή που λειτουργεί ένας γραμμικός επαγωγικός κινητήρας (βλ εικόνα παρακάτω).

Ένας αυτοματισμός με αισθητήρες συγχρονίζει τη συχνότητα του τριφασικού ρεύματος που τροφοδοτεί τα πηνία προώθησης, με την ταχύτητα του τρένου.

Η αρχή του γραμμικού κινητήρα. Επάνω, ένας κλασικός επαγωγικός κινητήρας. Αν θεωρήσουμε ότι κάνουμε μια τομή στον στάτη και τον «ξετυλίξουμε», θα έχουμε έναν γραμμικό κινητήρα. Το πρόβλημα είναι ότι θα πρέπει να προστεθούν πηνία στον στάτη, ώστε να καλύψουν όλο το μήκος της διαδρομής που χρειαζόμαστε.

Τροχιά συστήματος ηλεκτροδυναμικής αιώρησης. Με κόκκινο τα πηνία κεντραρίσματος, που δεν τροφοδοτούνται με ρεύμα. Με μπλέ τα πηνία προώθησης που τροφοδοτούνται με τριφασικό ρεύμα, ρυθμιζόμενης συχνότητας. Στο κέντρο, οι διάδρομοι που πατάνε οι τροχοί, στις χαμηλές ταχύτητες.
  

Το ιαπωνικό τρένο που κατέχει το ρεκόρ ταχύτητας για επανδρωμένα τρένα μαγνητικής αιώρησης με 603 χλμ/ω, τον Απρίλιο του 2015. Το τρένο είναι προς το παρόν πειραματικό με ειδικά διαμορφωμένο ρύγχος και κινήθηκε σε ειδική τροχιά. Όμως, το ταχύτερο δρομολογημένο τρένο μαγνητικής αιώρησης είναι στην 30 χιλιομέτρων διαδρομή από το αεροδρόμιο της Σαγκάης στη Σαγκάη, που έχει φθάσει την ταχύτητα των 430 χλμ/ω.

Τον Ιανουάριο του 2021 ανακοινώθηκε η κατασκευή ενός κινέζικου τρένου μαγνητικής αιώρησης που θα φθάνει τα 620 χλμ/ω, όταν ξεπεράσει το στάδιο των δοκιμών στο οποίο βρίσκεται προς το παρόν.

Ένα διαφορετικό είδος τρένου, τα Roller Coaster, που προσφέρουν άλλου είδους συγκινήσεις στους επιβάτες τους, όπως να βιώσουν ακροβατικές μανούβρες μέχρι +5g, που μόνο ένα μαχητικό αεροσκάφος μπορεί να προσφέρει. Τα τρενάκια αυτά αρχικά ανεβαίνουν στο ψηλότερο σημείο της τροχιάς τους ρυμουλκούμενα από σύστημα ενσωματωμένο στην τροχιά ή με εκτόξευση, και στη συνέχεια αναλαμβάνει η βαρύτητα.

Μία ειδική περίπτωση τρένου είναι το μετρό, που είναι τοπικό, υπόγειο συνήθως τρένο μέσα στα όρια μιας εκτεταμένης πόλης (μητρόπολης). 
Για ευνόητους λόγους, τα μετρό ήταν από τα πρώτα τρένα που ηλεκτροκινήθηκαν και στα οποία, όπου ήταν δυνατόν, εφαρμόσθηκε η ανάκτηση ενέργειας με φυσικό τρόπο.
Κατασκευάζοντας δηλαδή τους σταθμούς πιο κοντά στο έδαφος (ώστε και οι επιβάτες να έχουν ευκολότερη πρόσβαση), σε σχέση με την υπόλοιπη γραμμή, τα τρένα χρειάζονταν λιγότερο φρενάρισμα καθώς ο σταθμός βρίσκονταν στο τέλος ενός ανήφορου, και αντίστοιχα επιτάχυναν γρηγορότερα καθώς έφευγαν.
Σήμερα βέβαια, με τα ηλεκτρονικά συστήματα επιστροφής της ενέργειας του φρεναρίσματος στο ηλεκτρικό δίκτυο, η μέθοδος αυτή έχει χάσει την αξία της.
 
Και για να κλείσουμε σε λίγο διαφορετικό κλίμα, αρκετά ελληνικά τραγούδια έχουν σαν θέμα το τρένο και την απόσταση που βάζει ανάμεσα στους ανθρώπους.

Ενδεικτικά, και από τα παλαιότερα:

-      Κάποιο τρένο.

-     Το τρένο φεύγει στις 8.

-     Τα τρένα που φύγαν.

-     Πάει έφυγε το τρένο.

-      Κάνε κάτι να χάσω το τρένο.

-   Σ' ένα εξπρές.

-   Φωτιά στα τρένα.

-   Το τρένο Γερμανίας - Αθηνών.

-   Στο σταθμό του Μονάχου.

-   Γύριζαν τα τρένα.

ΥΓ1: Μετά το τραγικό σιδηροδρομικό δυστύχημα των Τεμπών στις 28/2/2023, ταιριάζει και το "Ελένη" που πρωτοτραγούδησε η Χαρούλα Αλεξίου το 1986.

ΥΓ2: Η αυστραλιανή εταιρεία εξόρυξης σιδηρούχων ορυκτών Fortescue, σκοπεύει να κάνει τo τρένο της που μεταφέρει το μετάλλευμα σε χαμηλότερο υψόμετρο ουδέτερο ως προς τις εκπομπές CO2 μέχρι το 2030 χρησιμοποιώντας τεχνολογία F1, καθώς θα φορτίζει τις μπαταρίες του κατεβαίνοντας φορτωμένο (ουσιαστικά φρενάροντας), οπότε θα έχει συσσωρεύσει αρκετή ενέργεια για να κάνει την αντίστροφη ανηφορική διαδρομή, ξεφόρτωτο.