Как работает поезд: от пара до современной электрички

Поезд движется потому, что локомотив создаёт тяговое усилие и передаёт его колёсам, которые катятся по рельсам. В зависимости от типа двигателя источником энергии может быть пар, дизельное топливо или электричество из контактной сети. Сцепление между стальными колёсами и стальными рельсами кажется ненадёжным, но его вполне достаточно: коэффициент сцепления составляет около 0,25, и при весе в несколько сотен тонн это даёт огромную силу тяги.

Как работает паровоз и почему он ушёл в прошлое

Паровой локомотив превращает тепловую энергию в механическую через котёл, пар и поршни. В топке сжигается уголь или мазут, вода в котле нагревается до 180–200 градусов и превращается в пар под давлением 12–16 атмосфер. Пар поступает в цилиндры, давит на поршни, те через шатуны вращают ведущие колёса. КПД паровоза не превышал 8–10%, поэтому к середине 20 века его почти полностью вытеснили тепловозы и электровозы. В России паровая тяга на магистральных линиях окончательно прекратилась в 1970-е годы, хотя на отдельных промышленных путях паровозы работали ещё дольше.

Тепловоз: дизельный двигатель на рельсах

Тепловоз использует дизельный двигатель мощностью от 2000 до 6000 лошадиных сил. Но дизель не крутит колёса напрямую: сначала он вращает генератор, генератор вырабатывает электрический ток, а ток питает тяговые электродвигатели, установленные прямо в колёсных тележках. Такая схема называется дизель-электрической передачей и даёт плавное управление тягой. Тепловоз не зависит от контактной сети, поэтому незаменим на малодеятельных линиях, где невыгодно тянуть провода. На российских железных дорогах тепловозы обеспечивают около 40% грузоперевозок на неэлектрифицированных участках.

Электровоз и электропоезд: самый экономичный вариант

Электровоз получает ток из контактного провода через токоприёмник-пантограф. В России используется два стандарта: постоянный ток 3 кВ на большинстве пригородных линий и переменный ток 25 кВ на скоростных магистралях. Тяговые электродвигатели напрямую приводят колёсные пары. КПД электрической тяги достигает 80–85%, что в несколько раз лучше дизеля. Современные электропоезда серии «Ласточка» и «Сапсан» оснащены системой рекуперации: при торможении электродвигатели работают как генераторы и возвращают часть энергии обратно в сеть. Это экономит до 30% электроэнергии на маршруте.

Колёса, рельсы и тормоза: почему поезд не падает

Колёса поезда имеют конический профиль и реборды (гребни), которые удерживают состав на рельсах. Коническая форма позволяет поезду самостоятельно выравниваться в прямой: если вагон сместился вправо, правое колесо начинает катиться по большему радиусу и возвращает его на место. На закруглениях колёса скользят, что создаёт шум и износ, поэтому скоростные поезда ограничены по радиусу кривых. Тормозная система состоит из пневматических тормозов, которые работают от сжатого воздуха в тормозной магистрали. При падении давления в магистрали тормоза автоматически срабатывают, поэтому расцепившийся вагон останавливается сам.