براساس گزارش خبرگزاری خبرآنلاین و بر اساس اطلاعات دریافتی از زومیت، در اکتبر سال ۲۰۲۲، یک قطار باری به وزن چندصد تن در مسیر ترنس‌پناین، که یکی از پرشمارترین خطوط ریلی بریتانیا محسوب می‌شود، به‌طور غیرمنتظره‌ای ایستاد. نه مکانیزم موتور دچار مشکل شده بود و نه سیستم ترمز دچار نقص فنی بود. تنها عامل متوقف‌کننده این حادثه، برگ‌های پاییزی بودند.
ریل زیر چرخ‌های قطار به قدری لغزنده شده بود که لوکوموتیو قادر به جابجایی نبود. پاک‌سازی مسیر و راه‌اندازی دوباره قطار ۹ ساعت زمان برد. در نگاه اول، این واقعه عجیب به نظر می‌رسد. چگونه ممکن است چند برگ بتوانند وزنی به این عظمت را متوقف کنند؟ پاسخ این سوال در فاصله بسیار ناچیز بین چرخ و ریل وجود دارد، جایی که لایه‌ای نازک از مواد گیاهی می‌تواند عملکرد یک ماشین بزرگ را تحت تأثیر قرار دهد.
نتورک ریل - سازمان مسئول زیرساخت‌های راه‌آهن بریتانیا - این واقعه را به‌عنوان نمونه‌ای از اثرات کاهش چسبندگی شناسایی کرده است. این مسأله، در واقع، هر سال در پاییز در شبکه‌های ریلی تکرار می‌شود و برای مقابله با آن، قطارهای خاصی به کار گرفته می‌شوند که مجهز به سیستم‌های آب‌پاش پر فشار و مواد افزایش‌دهنده اصطکاک هستند.
اما پژوهشگران به راه‌حلی غیرمنتظره دست یافته‌اند. گاهی تنها با اضافه کردن مقدار بیشتری آب به ریل می‌توان لغزندگی ناشی از رطوبت و برگ‌ها را مدیریت کرد.
چگونه برگ پاییزی به «تفلون سیاه» تبدیل می‌شود؟
وقتی قطاری با سرعت زیاد از یک مسیر عبور می‌کند، جریان هوا ممکن است برگ‌های ریخته‌شده در حاشیه مسیر را به هوا بلند کرده و بر روی ریل بیاندازد. سپس چرخ‌های فولادی قطار با فشار، برگ‌ها را از هم متلاشی می‌کنند.
با عبور قطارهای دیگر، یک لایه تیره، نازک و سخت بر روی سطح ریل باقی می‌ماند. این پوشش فقط خمیر برگ نیست. ترکیبات آلی موجود در برگ‌ها از جمله سلولز، لیگنین و پکتین تحت فشار و دمای ناشی از چرخ‌های قطار با آهن موجود در سطح فولاد واکنش نشان می‌دهند و ماده‌ای می‌سازند که به ریل می‌چسبد.
لایه سیاه‌رنگ گرچه ضخامتش تنها کسری از میلی‌متر است، اما تقریباً باعث از بین رفتن اصطکاک بین چرخ و ریل می‌شود. مهندسان رفتار این پوشش را به تفلون تشبیه می‌کنند، زیرا با اضافه شدن مقداری رطوبت، به سطحی بسیار لغزنده تبدیل می‌شود.
در تحقیقی که در نشریه RSC Advances منتشر شد، دانشمندان موفق شدند در آزمایشگاه و با ترکیب عصاره برگ و فولاد ریل، ماده‌ای با خواص کاهش اصطکاک را تولید کنند. هرچند جزئیات شیمیایی این فرآیند هنوز کاملاً مشخص نیست، ولی تأثیر آن در شبکه‌های ریلی به‌خوبی قابل مشاهده است.
تمام وزن یک غول فولادی بر روی سطحی به اندازه یک سکه
برای درک بهتر این پدیده، باید به نقطه تماس چرخ و ریل توجه کرد. برخلاف تایر لاستیکی خودرو که در زیر وزن ماشین پخش می‌شود، چرخ فولادی قطار تنها در ناحیه‌ای بسیار کوچک با ریل در تماس است. این ناحیه که به Contact Patch معروف است، معمولاً حدود یک تا دو سانتی‌متر مربع مساحت دارد. بخش عمده‌ای از وزن قطار از همین ناحیه کوچک به ریل منتقل می‌شود.
موتور باید نیرو را از این نقطه به ریل منتقل کند و در زمان ترمزگیری نیز همین تماس کوچک مسئول کاهش سرعت قطار می‌باشد. در صورت تمیز و خشک بودن ریل، تماس فولاد با فولاد مقاومت غلتشی کمی ایجاد کرده و همزمان میزان کافی اصطکاک برای شتاب و توقف فراهم می‌آورد. اما وجود لایه برگ این توازن را مختل می‌کند.
در این شرایط، چرخ‌ها هنگام حرکت می‌لغزند و هنگام ترمز از روی ریل سر می‌خورند. موتور و سیستم ترمز همچنان به کار خود ادامه می‌دهند، اما نیروی وارده به‌درستی به ریل منتقل نمی‌شود. بر روی ریل تمیز و خشک، ضریب اصطکاک معمولاً بین ۰٫۳ تا ۰٫۴ است، در حالی که آلودگی شدید می‌تواند این عدد را به کمتر از ۰٫۰۵ کاهش دهد و داده‌های آزمایش‌های مربوط به لایه برگ مقادیری نزدیک به ۰٫۰۱ را نشان داده‌اند.
در چنین موقعیتی، قطار ممکن است بر روی کوچک‌ترین شیب درجا بزند یا برای توقف نیاز به مسافت بیشتری داشته باشد. این مشکل گاهی می‌تواند عواقب جدی‌تری نیز به دنبال داشته باشد. در اکتبر ۲۰۲۴، قطاری مسافربری در نزدیکی تالردیگ ولز حدود ۱۰۸۰ متر از محل توقف مشخص شده عبور کرده و با قطاری دیگر برخورد کرد. در این حادثه، یک نفر جان خود را از دست داد. گزارش نهایی تحقیقاتی که در ژوئن ۲۰۲۶ منتشر شد، کاهش چسبندگی، عدم عملکرد مناسب سامانه‌های پاشش ماسه و سرعت بالای قطار هنگام نزدیک‌شدن به ایستگاه را به‌عنوان عوامل اصلی حادثه معرفی کرد.
چرا شبنم صبحگاهی می‌تواند از باران شدید خطرناک‌تر باشد؟
برگ‌های پاییزی حتی در وضعیت خشک نیز مشکل‌ساز هستند، اما خطرناک‌ترین شرایط لزوماً در زمان بارش شدید باران رخ نمی‌دهد. گاهی، تنها چند قطره شبنم صبحگاهی یا بارش‌های جزئی پس از دوره‌ای از خشکی، وضعیت خطرناک‌تری ایجاد می‌کنند.
رطوبت کم با بقایای برگ، اکسیدهای آهن و گرد و غبار موجود بر روی ریل ترکیب شده و خمیری صابون‌مانند و لغزنده تولید می‌کند. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که این خمیر لغزنده تنها در یک مقدار مشخص از رطوبت به حداکثر خطر می‌رسد. اگر مقدار آب کمی افزایش یابد، لایه تیره می‌تواند لغزنده‌تر شود، اما اگر میزان آب از حد خاصی فراتر رود، ساختار لایه از هم می‌پاشد و با گذر چرخ‌ها از سطح ریل جدا می‌شود.
به واقع، ریل کاملاً خیس ممکن است از ریلی که فقط با شبنم پوشیده شده است، چسبندگی بیشتری داشته باشد. تحقیقی که از سوی دانشگاه شفیلد در مارس ۲۰۲۶ منتشر شد، نشان داد که مقدار آب موجود در خود لایه برگ، بهتر از رطوبت نسبی هوا توانسته سطح کاهش چسبندگی را توجیه کند.
راه‌حل غیرمنتظره: به ریل لیز آب اضافه کنید!
در زندگی روزمره، اگر کف آشپزخانه خیس و لغزنده شود، افزودن آب بیشتر معمولاً راه‌حل مناسبی نیست. اما شرایط حاکم بر تماس چرخ و ریل متفاوت است. زمانی که خمیر غلیظ و تشکیل شده از رطوبت کم، عاملی اصلی برای لغزندگی محسوب می‌شود، اضافه کردن آب بیشتر می‌تواند اوضاع را به نفع قطار تغییر دهد.
در سال ۱۹۷۹، مهندسان راه‌آهن بریتانیا در بیرستد بانک، نزدیک میدستون، بخشی از ریل را به‌طور عمدی با آب مرطوب کردند. در این بخش خیس‌شده، چسبندگی بهبود یافت، اما نصب مخازن و تجهیزات آب‌پاش در طول خطوط ریلی به لحاظ هزینه و پیچیدگی کار مشکل بود و این ایده برای سال‌ها کنار گذاشته شد.
چند دهه بعد، مهندسان به یک راه‌حل نوین دست یافتند. به‌جای نصب تجهیزات در کنار ریل، مخازن، پمپ‌ها و نازل‌ها به زیر خود قطار انتقال یافتند. این پژوهش منجر به توسعه فناوری Water-Trak شد. این سامانه به‌جای شست‌وشوی ریل با فشار بالا، درست پیش از رسیدن چرخ‌های بعدی مقدار کنترل‌شده‌ای آب بر روی آن می‌پاشد.
Water-Trak با سیستم کنترل لغزش چرخ سازگار است. زمانی که چرخ‌های جلو لغزش را تشخیص می‌دهند، نازل‌ها به‌طور دقیق آب روی ریل می‌پاشند. به گفته توسعه‌دهندگان، تنها یک تا چهار میلی‌لیتر آب به ازای هر متر ریل می‌تواند در شرایط مناسب، چسبندگی را افزایش دهد. این میزان کمتر از یک قاشق چای‌خوری برای هر متر است.
فناوری Water-Trak در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ بر روی قطارهای مسافربری شرکت نورثرن آزمایش شد. بر اساس گزارش نتورک ریل، فاصله توقف دو قطار برقی مجهز به این سامانه در شرایط کاهش چسبندگی، بیش از ۱۲ درصد کاهش یافت. البته این مقدار به شرایط آزمایش تعلق دارد و ممکن است فناوری در همه مسیرها یا انواع آلودگی‌ها نتایج مشابهی نداشته باشد.
نبرد پاییزی راه‌آهن، شست‌وشوی ریل با فشار ۱۵۰۰ بار
فناوری Water-Trak نمی‌تواند جایگزینی برای قطارهای پاک‌سازی باشد. در بریتانیا، هر پاییز، خودروهای ویژه‌ای به روش‌ها فرستاده می‌شوند که با مخازن آب و پمپ‌های قوی سطح ریل را شست‌وشو می‌دهند. فشار آب در نازل‌های این دستگاه‌ها به حدود ۱۵۰۰ بار می‌رسد تا لایه سیاه و سخت برگ‌ها را از سطح فلز جدا کند.
پس از شست‌وشو، در مکان‌های لازم ژل حاوی ماسه و ذرات فلزی بر روی ریل اعمال می‌شود. ماسه، اصطکاک را بالا برده و ذرات فلزی به حفظ ارتباط الکتریکی قطار با ریل کمک می‌کنند. وجود این ذرات فلزی اهمیت بالایی دارد. بسیاری از خطوط ریلی از سیستم‌های هوشمند برای تشخیص حضور قطار در مسیر با استفاده از جریان الکتریکی ضعیف بهره می‌برند. لایه سیاه برگ‌ها غالباً مانند عایق عمل کرده و این ارتباط الکتریکی را دچار اختلال می‌سازد.
تفاوت این دو روش بسیار جالب توجه است. قطارهای پاک‌سازی برای از بین بردن لایه برگ به فشار ۱۵۰۰ بار نیاز دارند، اما Water-Trak با چند میلی‌لیتر آب، رفتار همین لایه را در زمان عبور قطار تغییر می‌دهد.
از یخ خشک تا لیزر، سلاح‌های جدید علیه برگ‌های پاییزی
در مبارزه مهندسان با برگ‌های پاییزی، تنها به روش‌های سنتی بسنده نشده است. در سپتامبر ۲۰۲۵، شرکت نورثرن آزمایش فناوری نوین Cryogrip را آغاز کرد که ذرات یخ خشک را با جریان سریع هوا به ریل می‌کوبد. برخورد این یخ خشک، لایه سیاه برگ را از هم متلاشی و منجمد می‌کند. از آنجا که یخ خشک بلافاصله پس از برخورد به گاز تبدیل می‌شود، هیچ رطوبتی بر روی ریل باقی نمی‌گذارد.
راهکارهای دیگری مانند استفاده از مواد تجزیه‌کننده بقایای برگ و شست‌وشوی لیزری نیز در حال بررسی هستند. با وجود تمام این تدابیر، برگ‌های پاییزی همچنان به‌عنوان یکی از چالش‌های مهم در شبکه‌های ریلی باقی مانده‌اند.
برگ‌ها خود به تنهایی قادر به متوقف کردن قطاری با چندصد تن وزن نیستند، اما می‌توانند ارتباط میان چرخ و ریل را مختل کنند. این واقعیت نشان می‌دهد که سرنوشت این ماشین‌های غول‌پیکر گاهی در لایه‌ای به ضخامت کسری از میلی‌متر رقم می‌خورد؛ لایه‌ای که برای زدودن آن شاید نیاز به فشار ۱۵۰۰ بار باشد یا گاهی تنها با چند میلی‌لیتر آب می‌توان اثر آن را کاهش داد.
۵۸۳۲۳
نظرات کاربران