Cómo descarrila un tren

Talgo 250 dual [Talgo.com]

Ya son más de cinco días los que han pasado desde el trágico accidente del Alvia en Santiago, y en la red siguen apareciendo artículos interesantes sobre la mecánica del mismo. Antes de empezar con mi contribución, me gustaría recomendar los siguientes artículos sobre la física del descarrilamiento:

En estos artículos se habla en todo momento de aceleraciones, particularmente de la dirección de la aceleración total teniendo en cuenta la de la gravedad. Es un concepto muy intuitivo a la hora de entender por qué vuelca el tren, pero no entran en el mecanismo último que conduce al descarrilamiento.

La causa última de un descarrilamiento

Descarrilar es, básicamente, que los ejes del vehículo se salen de su posición dentro de los carriles por alguna razón. Un tren puede salirse de la vía por muchas causas, pero se pueden separar en cuatro grupos:

  • Por el impacto del tren con un objeto externo situado en la vía, e.g. un vehículo en un paso a nivel; o un desprendimiento sobre la vía.
  • Por rotura de un componente del vehículo o la infraestructura, e.g. un carril o unos rodamientos rotos por fatiga del material.
  • Por una interacción dinámica inesperada, e.g. una ráfaga de viento lateral contra un vehículo a alta velocidad; o una deformación periódica de la vía que excite una frecuencia natural del vehículo.
  • Por operar el vehículo o la infraestructura fuera de los parámetros adecuados, e.g. equivocaciones en cambios de agujas, una maniobra de cambio de ancho inadecuada, o conducir el tren a más velocidad de la permitida.

La entrada de descarrilamientos de la Wikipedia inglesa es muy completa, con una clasificación más precisa, pero también más confusa para los legos en la materia. En definitiva, todas las causas implican condiciones de contorno inadecuadas que introducen esfuerzos adicionales, que a su vez forzarán a una de las ruedas a salirse al exterior del carril. Y cuando una de ellas se sale de su posición, introduce en el resto del tren esfuerzos para los que no está diseñado, haciendo descarrilar al vehículo completo. Cuanto mayor es la velocidad peores son las consecuencias, debido a la enorme energía cinética que acumulan estos mastodontes.

Eje descarrilado sin consecuencias catastróficas [Wikimedia Commons]

En el caso del vehículo de Santiago, el descarrilamiento no parece haber sido por la rotura de ningún componente ni la aparición de objetos en la vía. Viendo el vídeo de las cámaras de seguridad con detenimiento, tampoco parece que haya una interacción dinámica brusca e inesperada, sino que el vehículo va descarrilando poco a poco por la exagerada velocidad con la que negocia la curva. En este caso concreto existen dos mecanismos de descarrilamiento diferentes: remonte de pestaña y descarga de ruedas.

Remonte de pestaña

Cuando un tren recorre una curva, sus ejes (o sus ruedas, en caso de tener ruedas independientes como los coches de los Talgo) no están alineados con el radio curvatura. Idealmente un eje aislado podría negociar la curva en posición radial, pero los componentes de la suspensión y el resto de masas del tren impiden este comportamiento teórico. El resultado ese que, en cuanto el tren entra en  la curva, la rueda exterior “apunta” ligeramente hacia el carril. Este ángulo se denomina Ángulo de Ataque y, en caso de que las condiciones sean muy duras (velocidad inadecuadamente elevada, clima excesivamente seco, ángulo de ataque exagerado…) la rueda puede rodar por encima del carril, incluyendo la pestaña, y descarrilar.

Para diseñar un vehículo que sea resistente al remonte de pestaña en las curvas para las que va a circular se utiliza el Criterio de Nadal: mientras la fuerza lateral sea menor que la fuerza vertical en el contacto rueda-carril, nos encontramos en zona segura. Si a alguien le interesa la explicación teórica la he encontrado online aquí). Es un criterio extremadamente conservador.

Cuando el vehículo descarrila por remonte de pestaña suele ser el primer eje el que salta por encima del carril, arrastrando al resto del tren detrás. El eje frontal tiene el mayor ángulo de ataque, especialmente en caso de vehículos de bogies (recordemos que en el Alvia 730 tanto la locomotora como el coche auxiliar llevan bogies), y por ello suele ser el primero en salirse de la vía. En el tren siniestrado es el coche auxiliar con los sistemas diésel el que sale despedido arrastrando al resto de los coches. De hecho en el vídeo se ve que la locomotora, muy a pesar del exceso de velocidad, es capaz de negociar la curva; es una locomotora que, pese a estar diseñada para velocidades de hasta 250 km/h, tiene muy buen comportamiento en curva (habitualmente estos dos comportamientos tienen criterios opuestos para el diseño de la suspensión). Así que muy probablemente no fue el remonte de pestaña el mecanismo por el que descarriló.

Descarga de rueda

El otro posible mecanismo de descarrilamiento es la descarga de una rueda. Es básicamente lo que han estado analizando los físicos en las entradas que he comentado, solo que explicado desde un punto de vista más ingenieril: si la rueda interior reduce su precarga vertical a cero (es decir, pierde el contacto con el carril), el coche o eje afectado volcará hacia el exterior de la curva, arrastrando al resto del tren y sacándolo de la vía.

De manera simplificada: si se somete al coche a un esfuerzo lateral más o menos centrado, como es el caso de la fuerza centrípeta, aparecen las reacciones en el contacto rueda-carril que lo mantienen en la vía. Como estos esfuerzos se separan una distancia vertical, también aparece un momento respecto al eje longitudinal que inclinará el tren hacia el exterior de la curva. Para compensar este momento, aparece una transferencia de carga de la rueda interior a la exterior, de manera que el diferencial de cargas verticales por la distancia que separa las ruedas crea el momento que equilibra el sistema.

Pues bien, cuanto mayor es la fuerza lateral, menor es la carga en la rueda interior, hasta que llega un punto en que se reduce a cero. En ese momento, se pierde el contacto entre la rueda y el carril, y el eje queda apoyado sobre una sola rueda. Si la fuerza lateral aumenta un poco más, el vehículo vuelca. Esto tiene una implicación muy intuitiva: cuanto más pesado sea el vehículo, más difícil es que vuelque; pues si vuestra intuición os ha dicho esto, que sepáis que está equivocada. Al menos para el caso que nos atañe.

Descarga de ruedas en un automóvil. Esencialmente es lo mismo, solo que en este caso es posible controlar el vehículo y evitar que vuelque. En un tren es imposible controlarlo. [masmoto.net]

Para la descarga de rueda durante la trazada de curva, la influencia del peso de los diferentes coches es irrelevante. La fuerza lateral centrípeta es proporcional a la masa, al igual que la  precarga vertical de las ruedas. Por lo tanto, lo único que influye son las distancias entre estos esfuerzos: la altura del centro de masas de cada coche para las cargas laterales, y la distancia entre ruedas para las cargas verticales. La distancia entre ruedas es igual para todo el tren, mientras que la altura del CdM será diferente para cada uno de los coches. Ya lo comentaban en Naukas, es probable que el centro de gravedad del coche auxiliar con los sistemas diésel esté más alto que los del resto de vehículos, que son más “huecos”. Por lo tanto, es el coche auxiliar el primero que descarrila, arrastrando a todos los demás.

En caso de que la descarga de rueda se produzca en una recta debido a otras circunstancias, e.g. cierta deformación de la vía que cree un peralte local o “track twist”, el peso del vehículo sí que influye en evitar el descarrilamiento.

Como curiosidad, como el ancho Ibérico es mayor que el estándar usado en las LAV (distancia entre caras internas de los carriles de 1668mm vs. 1435mm) el diferencial de cargas necesario para equilibrar el tren es menor, por lo que se necesita aún más fuerza lateral para volcar el vehículo. Dicho de otra manera, si el Alvia, que es de ancho variable, hubiese circulado con exceso de velocidad por una vía con trazado equivalente y con ancho internacional, habría volcado más fácilmente.

Composición del tren descarrilado. Click en la imagen para todos los detalles técnicos.

Como nota final, me gustaría hacer un comentario sobre la composición del tren. En el vídeo del siniestro se observa que el primer coche que descarrila es la unidad auxiliar con el sistema diésel, concretamente su parte trasera. Este coche rueda sobre un bogie con dos ejes, y comparte el primer conjunto de ruedas independientes con el primer coche de pasajeros. De acuerdo a @brucknerite en este comentario, la locomotora pesa 72 ton (18 ton por eje) mientras que el coche técnico son 25 ton (considerándolo repartido en dos ejes y medio, son 10 ton/eje –una simplificación rápida pero útil–). Ya hemos dicho que la masa del vehículo no incluye en la descarga de rueda; pero ¿y el hecho de que sean ruedas independientes? Personalmente creo que no. En los párrafos anteriores no he hablado del “running gear” (conjunto de bogie, ejes o ruedas, suspensión, tracción y frenado, creo que no hay una palabra para definirlo en castellano…). Entonces, ¿por qué es ésta la primera rueda que vuelca? Puede ser que el centro de masas esté situado hacia la parte posterior del coche auxiliar, forzando primero a las ruedas traseras a perder el contacto; o puede ser que la conexión con la locomotora sea muy rígida, favoreciendo el inicio del descarrilamiento en la rueda trasera. O puede ser simple coincidencia… no hay datos suficientes para hacer algo más que un “educated guess”.

Hay mucha gente que ha escrito y sigue escribiendo mucho y muy bien sobre el accidente. Recomiendo especialmente los siguientes:

Y autores que están activos en twitter:

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3 comentarios en “Cómo descarrila un tren

  1. Felicidades por el artículo. Conciso y muy bien explicado.

    Me gustaría añadir que en el artículo se habla de la descarga de la rueda interior, lo que en el caso de una excesiva velocidad de paso por curva [además de otros factores] llevaría al descarrilamiento por vuelco del vehículo.

    Sin embargo, no sé si ésta es la principal causa de descarrilamiento en un vehículo ferroviario, ya que, si no me equivoco suele ser más habitual que la rueda exterior pierda contacto en la transición de salida de una curva peraltada [fenómeno que se ve acentuado en caso de que haya un defecto de vía en dicha transición]. En cuyo caso, suele ser más crítico que el vehículo circule a baja velocidad, ya que el balanceo hacia el interior de la curva hace más acusada la descarga de la rueda exterior del eje de ataque.

    Claro que este tipo de situaciones es muy probable que sean más frecuentes en otro tipo de vehículos [de mucha menor velocidad, como metros o tranvías].

    Lo dicho. Enhorabuena por el artículo!

    • La verdad es que no tengo experiencia en operaciones, lo que sé es pura teoría. No he leído sobre ese tipo de descarrilamiento nunca, de hecho me sorprende que ocurra a no ser que el defecto de vía sea muy grande. Tienes algún enlace donde pueda leer sobre esto?
      Gracias por el comentario!

  2. Pingback: Primer aniversario del blog! | Haciéndome el Sueco

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