Путь по рельсам: почему поезда не ездят в горку
Рельсы сделаны из стали, и колёса — тоже. Между двумя гладкими стальными деталями трение меньше, чем между шиной и дорожным покрытием. Оно даже меньше, чем между кожей и стеклом. Несмотря на это, сцепление между колесом и рельсой довольно серьёзно и позволяет поезду двигаться вперёд — всё потому, что огромная масса локомотива или вагона ложится на очень маленькую площадь соприкосновения колёс и рельс.
Чтобы сдвинуть поезд с места, нужно приложить силу, способную преодолеть силу трения, вес поезда и аэродинамическое сопротивление. На плоскости это вполне выполнимо, и поезда развивают серьёзные скорости и тянут внушительные грузы. Но всё меняется, как только рельсы уходят в горку, даже не самую крутую.
Не прибегая к помощи рук, человек способен преодолевать уклоны в 75 градусов и даже чуть круче — правда, это даётся с большими усилиями. Автомобиль легко преодолеет 30-градусный подъём. Для поезда, едущего по гладким рельсам, максимум — пара градусов: на более крутых склонах распределение веса меняется, сила трения ослабевает, и колёса проворачиваются вхолостую вне зависимости от того, насколько большая сила толкает состав вверх.
Иногда даже маломощный паровой локомотив можно заставить прогуляться вверх по холму, просто увеличив массу вагона: такое часто проделывают на железнодорожных ярмарках. Балласт создаёт дополнительное трение и, разогнавшись, поезд иногда преодолевает небольшие подъёмы.
Другой способ заставить поезд двигаться вверх — снабдить и рельсы, и колёса пазами и зубьями. Когда такой поезд едет по рельсам, он похож на две шестерёнки бесконечного радиуса. Самый крутой подъём зубчатой железной дороги Pilatusbahn в Швейцарии достигает 48%, и выглядит это очень впечатляюще:
