Sobre peraltes y trazado de curvas

Una curva peraltada.

Alrededor del trágico accidente del tren de Santiago ha habido muchos comentarios en las redes sociales sobre por qué ha descarrilado, la causa de que el segundo/tercer coche descarrile primero, sobre por qué los últimos coches salieron mucho peor parados que los primeros, sobre si un tren pendular habría tenido menos problemas… de todo. Y como esto está lleno de opinadores, entre los que me incluyo, me he propuesto explicar varias cosas sobre guiado en curva y descarrilamientos para plasmar en una buena sucesión de tochos lo que no se puede explicar en Twitter. Intentaré que todo sean cuestiones genéricas de dinámica de vehículos sin meterme en análisis concretos del accidente, que bastante tienen que tener las víctimas y sus familiares como para que yo me meta en medio. Pero empecemos con algo un poco personal, el caso del físico que habla de trenes con lenguaje cercano y ameno, tan cercano y ameno que usa “esas cosas” o “y cosas así” como si fueran términos técnicos.

Los trenes trazan curvas gracias al peralte #NO

Para los que no hayáis leído la noticia, es esta: “El porqué del accidente de Santiago de Compostela – El físico Antonio Ruiz de Elvira culpa al diseño del tren además de al conductor.” El buen hombre es conocido en los círculos divulgadores como un opinador bastante… independiente, sobre cualquier tema. Independiente en el sentido de que no tiene porqué tener ni idea de lo que está hablando, que se tira de la moto para salir en los periódicos. Pero analicemos lo que dice y no quién es. Su explicación de porqué el tren se sale de la vía es la siguiente, separada en pasos y añadiendo explicaciones de mi cosecha para que quede más clara:

  1. Coge una bicicleta como ejemplo de vehículo que va a tomar una curva. La coge físicamente. Da la explicación con una bici entre las manos.
  2. Al girar, aparece una aceleración hacia el exterior de la curva que queremos tomar, en el centro de gravedad del vehículo (no me meteré con las centrífuga y centrípeta para no marear la perdiz demasiado).
  3. Esta fuerza lateral se transmite a la carretera en el contacto neumático-asfalto, a una altura diferente del centro de gravedad del vehículo.
  4. Esas dos fuerzas laterales separadas una distancia determinada provocan un momento que intenta “volcar” el vehículo hacia el exterior.
  5. Para poder compensar este momento y no caernos de la bici, la inclinamos hacia el interior de la curva. Así, nuestro peso provoca un momento contrario que equilibra el sistema. (Al igual que nuestro amigo, ignoraremos el efecto giroscópico o el efecto caster para simplificar, a pesar de que sean importantes para equilibrar la bicicleta).
  6. Un tren no podemos inclinarlo, así que lo que se hace es construir la vía con un ángulo determinado, denominado peralte. De esa manera, forzamos a inclinar el tren para que tome la curva sin salirse.
  7. Como el tren iba a más velocidad que la diseñada, los momentos quedan descompensados y se sale de la curva.

Bien, hasta aquí todo parece muy científico. Adivináis donde está el error? Mirad la siguiente figura.

Una bici y un tren. Vista frontal. Necesitáis más pistas?

Una bici y un tren. Vista frontal.

Pues si aún no os habéis dado cuenta, una bici tiene una única rueda en dirección lateral, mientras que un eje de ferrocarril tiene dos. Por favor, no compares el tren con una bici, comparalo con un camión. O un coche. O un carruaje! Cualquier cosa que tenga ruedas en paralelo. Hasta un trineo me habría servido. Un camión se inclina hacia el interior al tomar una curva? No, verdad? Pues un tren tampoco tiene porqué inclinarse. Al tener ruedas en paralelo, el momento se puede compensar directamente con una transferencia de carga vertical de la rueda interior a la rueda exterior. De esa manera el tren no vuelca aunque no lo inclinemos. Lógicamente, si aplicamos tanta fuerza lateral que la rueda interior a la curva reduce su fuerza vertical a cero, entonces tendremos problemas. Volveremos sobre esto cuando hablemos del descarrilamiento.

Total que en el vídeo mezclan churras con merinas: esto es para hablar del vuelco, no del guiado. Cual es el mecanismo mediante el cual el tren es capaz de trazar la curva? Son las fuerzas laterales en el contacto rueda-carril, nada más y nada menos. Al igual que en un coche son las fuerzas laterales entre el neumático y la carretera. El peralte sirve, al igual que en las carreteras, para transferir parte de esas aceleraciones laterales como aceleración normal al suelo, y además la gravedad compense un poco más la aceleración lateral. Esto ayuda a que el tren pueda ir a más velocidad con el mismo nivel de confort y seguridad para los pasajeros, y que se reduzcan ligeramente los esfuerzos laterales en el contacto rueda carril, pero no va a ser ni de lejos lo que haga que el tren trace la curva.

Para esto sirve el peralte. Esta figura es MUY exagerada, el peralte de una vía es ínfimo.

Ahora bien, que habría ocurrido si el tren fuese basculante? Para los que no lo sepan, existen otros trenes de Talgo diferentes al modelo siniestrado en que los coches cuelgan de la suspensión desde el techo. Esto hace que cuando entran en una curva se inclinen hacia el interior de la misma, aumentando el peralte que sienten los pasajeros y disminuyendo las aceleraciones laterales a las que se ven sometidos. Esto permite aumentar la velocidad en curvas, puesto que el principal criterio para no ir tan rápido en una curva no es la seguridad, sino el confort de los pasajeros. Pues bien, desde el punto de vista del descarrilamiento, no habría ayudado en nada. La basculación no afecta a los esfuerzos del contacto rueda carril a no ser que modifique sustancialmente la posición del centro de gravedad, que nunca se da el caso. Sólo sirve para el confort de los pasajeros. Así que una de las cuestiones respondida: los trenes basculantes son igual de malos a la hora de evitar descarrilar por exceso de velocidad.

Más cosas de las que quiero escribir cuando tenga tiempo:

  • Guiado de trenes: por qué son los ejes, ruedas y carriles como son y qué pros y contras tienen.
  • Mecanismos de descarrilamiento: flange climbing y descarga de rueda.
  • Por qué los coches posteriores salen peor parados en un descarrilamiento.
  • Posible influencia del frenado de emergencia en el descarrilamiento.

Y seguro que algo más se me ocurre mientras escribo las otras entradas.

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