铁路越来越先进，为什么轨道始终没什么变化？

轨道的汗青

说起轨道的汗青，很多人会天然想起秦始皇的“车同轨，书同文，行同伦”，猜测在公元前两百多年的华夏大地上是不是就已经有轨道了呢？

现实上，在《礼记·中庸》里所描述的“车同轨”应该理解为“车同规”更合适，这里的“轨”大致指的是“轨距”，也就是两个车轮间的距离，若是所有的马车轮距都不异，它们在道路上压出的印记也大致是一样宽，路上车走得多了，就会压出一条坚硬的轨迹来，车也就能跑得更快一些。从这个角度看，它与今天铁路轨道的道理是一样的。

传说这是留存下来的秦代古驿道，中心是两条车辙印

西方国度留存下来关于轨道的最早证据，是从罗马尼亚中部特兰西瓦尼亚16宿世纪煤矿遗址中找到的矿车和木轨。尽管它极其原始，但我们依然不难发现今天最进步前辈铁路轨道系统的道理。

从罗马尼亚中部特兰西瓦尼亚煤矿出土的矿车

直到欧洲工业革命起头之前，轨道都是采用长的木材制当作，这些木材宽约几英寸，在木轨道的下方，每隔两到三英尺会横标的目的放置一段木头做枕木，枕木本家儿要用来固心猿意马木轨，使其连结划定的宽度。其上方行驶的车轮也是木制的，那个时辰人们还不克不及大规模地出产钢铁，铁是很贵的材料。

木质轨道很轻易磨损，后来人们在它的概况贴上薄薄的长铁片，用钉子固心猿意马在轨道上，这样不仅能耽误轨道利用寿命，还可以削减摩擦阻力，这即是最原始的铁轨。

早期笼盖在轨道上的铁片和道钉

铁轨的益处显而易见，但它同时也加速了木头车轮的磨损。18宿世纪中期人们将车轮换当作铁轮子后又发现，木头的铁轨并不克不及很好地承重，它会被压弯，而且铁片会翘起来造当作变乱。加上炼铁手艺的前进降低了铁的当作本，于是在1767年木头轨道被换当作了铸铁轨道。

上图1831年出产的铸铁轨道长约1.8米，呈鱼腹形，横断面是L形，这些设计都可以增添强度，轨道的两头可以固心猿意马在枕木上。用这种铸铁轨道铺当作的铁路被称为“板式铁路”，它本家儿要用于毗连煤矿、铁矿和炼铁厂。

板式铁路比木头轨道前进了良多，但它的错误谬误也很较着：它的接头太多了，这些接头是最轻易松脱的亏弱之处。跟着铁冶炼手艺的前进，人们需要一种更长的铁轨来代替板式铁路，于是在蒸汽机车呈现后，由锻铁制造的带式铁轨起头代替老式的板式铁路。

萨拉曼卡机车，它是靠齿轮在板式铁轨上行驶的

八门五花的带式铁轨

钢轨并不是一步就成长到今天的样子，在带式铁轨呈现后，工程师们陆续发现出林林总总的铁轨。

1831年，英国人发现了“法兰T形铁轨”并将其运用到宾夕法尼亚铁路上，时代英国人还发现出一种双头铁轨，当一面磨损后，还可以反过来再用。当然，T形铁轨下端很小，需要用专门的金属底座才能固心猿意马，这无疑增添了当作本。

早期的T形铁轨和双头铁轨

1839年，用于毗连英国伦敦和克罗伊登铁路的Vignoles铁轨是工字形的，它可以利用道钉很便利地固心猿意马在枕木上：

Vignoles铁轨

在1840年扶植的伯明翰和格洛斯特铁路，Vignoles铁轨横截面酿成了下图的样子，这可能是为了节约钢材。

另一种Vignoles铁轨

1849年，威廉·亨利·巴洛发现了Barlow轨道，它很简练，可以比力便利地固心猿意马在枕木上，错误谬误是强度不高。

Barlow轨道的截面图

比铁轨更坚硬的钢轨在1857年被制造出来，比拟于铁而言，钢是一种更坚忍的材料，它的寿命更长，而且可以被制当作更长的轨道。

在上面这些轨道被陆续发现和利用之后，钢轨逐渐演酿成今天我们熟悉的外形。它有广大而平整的底面，可以很便利地固心猿意马在枕木上；它的上端面有优良的圆弧过渡，可以与车轮的斜面很好贴合，这担当了Barlow轨道的长处；它是T形铁轨和“工”字形铁轨的连系，拥有优异的机械布局强度；同时受益于材料学的前进，它在用钢量上做到了最节流。

1898年宾夕法尼亚铁路上利用的尺度铁轨横截面

值得注重的是，尽管履历漫长的演变，铁轨的样子根基心猿意马形，但宿世界列国执行的尺度各别，而且铁轨利用的场所分歧，所以现实上良多铁路所铺设钢轨规格也是不尽不异的。好比说通俗铁路、重载铁路和高速铁路所利用的钢轨在其外形上有些许区别，所采用的钢材也会纷歧样。

在美国和欧洲的一些城市，它们的有轨电车、地铁和轻轨会利用一种带法兰槽的“工”字形铁轨，以防止那些骑自行车的人陷入铁轨两侧的沟槽里。

带法兰槽的铁轨与尺度铁轨的对比

这种带凹槽的铁轨并不合用于其它的尺度铁路，因为槽里的积水会加快锈蚀，同时失落落此中的异物会造当作列车波动，严重的还会激发脱轨变乱。

为什么轮式列车要采用钢轨？

我们从对铁轨成长汗青的阐发已经知道，工字形钢轨是今朝轮式列车最优的解决方案。它的强度更高、用料最省、价钱廉价，也更便利出产、铺设与固心猿意马。

列车为了获得更大的速度，它起首需要降服地面临车轮的阻力，车轮与地面之间存在滑动摩擦与滚动摩擦，我们需要在操纵滑动摩擦同时降服滚动摩擦。

当车轮与地面接触时，接触面积越大，其滚动时受到的阻力越大，我们从下面这张滚动受力阐发图可以对滚动摩擦力有一个直不雅的领会：

从方形、12边形到圆的滚动受力环境

由上图我们可以看出，轮子受到的滚动阻力与它的重力G以及偏移量e相关，滚动阻力就是G·e。轮子与路面的刚性越大，e的长度就越小，滚动阻力就越小。反之，在车重不变的环境下，若是胎压不足，轮胎就会瘪下去一点，或路面比力软，O'与瞬心O的距离e就越大，滚动阻力G·e就越大。钢轨与车轮都是硬度很高的钢，它们之间的接触面做到了最小，是以火车受到的滚动摩擦力也可以达到最小。感乐趣的伴侣可以存眷我，读我在6月份写的一篇关于滚动阻力的阐发文章。