¿Sería útil un diseño de "cuerpo elevador" para un vagón de tren?

Cuerpo de elevación

La idea de un diseño de carrocería elevadora es dar forma a la carrocería de un vehículo de tal manera que produzca un elevador sin alas. La investigación ha demostrado que este puede ser un método eficiente para reducir la resistencia al tiempo que proporciona elevación.

Esto normalmente se ha hecho para aviones o naves espaciales:

cuerpos de elevación

¿Podría un enfoque similar ayudar a que los trenes sean más eficientes?

Los trenes de pasajeros ya se ven aerodinámicos y aerodinámicos:

TGV

Los trenes de carga no:

tren de carga

La resistencia al aire no es la única forma de resistencia que los trenes deben superar. También deben superar la resistencia de sus ruedas en la pista. Aquí es donde pensaría que vendrían los ahorros de energía de un diseño de cuerpo de elevación. Cualquier elevación adicional creada por el diseño del cuerpo de elevación reduciría la fricción entre las ruedas y el riel, ahorrando así energía.

Las ruedas del tren tienen bridas, por lo que no necesitan tracción para conducir. Los autos tampoco necesitan tracción en los rieles ya que las ruedas motrices solo están en los motores.

¿Podría un cuerpo elevador crear suficiente elevación a las velocidades típicas del tren para hacer una diferencia notable?

aerospace-engineering rail

— Hazzey
fuente

Aún necesitarías fricción para poder romperte. Hasta donde sé, el empuje está "concentrado" en la (s) locomotora (s), pero la capacidad de ruptura se distribuye entre todos los vagones del tren.

— Nick Alexeev

Para un cuerpo elevador lo suficientemente sustancial como para crear un efecto notable, creo que el descarrilamiento podría ser un problema.

— HDE 226868

Tenga en cuenta que las "velocidades típicas del tren" varían enormemente según el tren, la vía y la carga. Las curvas inclinadas requieren velocidades muy reducidas para evitar, por ejemplo, derramar 20 mil galones de herbicida en una vía fluvial importante . Creo que cuantificar esas "velocidades típicas" es el primer orden del día, ya que puede responder a su pregunta de inmediato.

— Aire

Además, varios trenes de pasajeros modernos son unidades múltiples eléctricas , en las cuales las ruedas motrices se extienden por todo el tren. Incluso con trenes de pasajeros, un cuerpo elevador a menudo es algo malo.

— cpast

¿Cómo harías para dar forma a un tren para proporcionar un ascensor? El área que mira hacia adelante es pequeña, y el ancho disponible para los winglets es pequeño.

— Jon of All Trades

Respuestas:

No diré que no es posible hacer una diferencia notable. Pero diría que es bastante improbable.

Las fuerzas de elevación y arrastre en cualquier cuerpo generalmente dependen de la velocidad del cuerpo ( ), la densidad del fluido ( ), el área del objeto ( ) y un coeficiente adimensional ( o ). El área aplicable puede ser un poco borrosa en términos de si se trata del área frontal o del área de la planitud, pero para un tren básicamente será el área en el plano normal a la dirección de viaje (dado que la mayor parte del los vagones de tren simplemente están detrás de la locomotora). Los coeficientes pueden variar un poco con la velocidad debido a la turbulencia, pero generalmente estarán entre 0 y 2. La forma funcional es: $v$ $\rho$ $A$ $C_L$ $C_D$

F_{L} = 1 / 2 ρ A C_{L} v^{2}

$F_L = 1/2\rho A C_L v^2$

Estimando de manera cruda un tren de carga como de alto y ancho, moviéndose a ( ). Esto nos da que la elevación será de alrededor de para todo el tren (no lo suficiente como para levantar un automóvil ordinario). Este cálculo no pretende ser extremadamente preciso, pero incluso en un factor de diez, la elevación sería mínima en comparación con el peso total del vehículo. $4\, m$ $16 \, m/s$ $57 \, kph$ $2500 N$

Dado eso, puede considerar los méritos de agregar elementos aerodinámicos adicionales. Aquí se llega a un compromiso entre generar elevación (para reducir la fuerza hacia abajo sobre las ruedas) y generar resistencia. Si bien las relaciones de elevación a arrastre pueden ser altas (~ 50 en buenos casos) la resistencia a la rodadura de las ruedas del tren es realmente muy baja ( ). Entonces, aunque el elevador reducirá las pérdidas debido a la fricción, aumentará las pérdidas debido a la resistencia adicional. $C_{rr} \sim 0.00035$

Por lo tanto, reducir el arrastre es bueno, pero proporcionar elevación probablemente no valga la pena. De hecho, reducir la resistencia al costo de agregar algo de peso podría ser beneficioso porque las ruedas son muy buenas para soportar esa carga de manera eficiente.

Nota: consulté Wikipedia y la caja de herramientas de ingeniería para obtener datos de . No pude verificar las fuentes de las ruedas del ferrocarril, pero pude confirmar que los valores de los neumáticos de carretera eran correctos a través de "Fundamentos de la dinámica del vehículo" de Gillespie. Cualquier idea sobre verificación sería bienvenida. $C_{rr}$

— Dan
fuente

Es bueno ver la superficie básica de la ecuación de arrastre. Una fórmula muy útil en todo tipo de áreas a pesar de su simplicidad. Agregue otro factor de V y obtendrá una pérdida de potencia total debido al arrastre. Aquí = ~ 40 kW (2kN x 16 m / s). Eso sugiere que, a diferencia de los vehículos de motor pequeños (tren wrt) donde predomina, aquí el viento es un factor de pérdida menor para un tren. PERO quitar peso (mg) de las ruedas es como notará que va a levantar peso por carro. La interferencia entre numerosos vagones adyacentes en serie hace que esto sea "muy muy muy difícil". ....

— Russell McMahon

.... Observar las cargas de las alas de los aviones sugiere que incluso si se pudiera proporcionar aire limpio, los túneles serían interesantes en apariencia :-).

— Russell McMahon

Lo que puede ser una revelación interesante para ti (fue para mí cuando lo derivaba hace mucho tiempo) o puede ser más obvio de lo que fue para mí. El | Para una sección transversal rectangular (para facilitar la vida) A y la velocidad de los trenes V, tome el volumen de aire que el tren barre en un segundo (A x V). Acelere la masa involucrada (A x V x Rho) de 0 a V en el tiempo disponible para sacarla del camino de los trenes. Calcule la potencia requerida para hacer esto. Lejos (pensé). La compresibilidad y el coeficiente de arrastre y todos los números mágicos complican esto, pero el resultado básico es gratificante.

— Russell McMahon

Solo una nota rápida, incluso si su cifra de 0.00035 es correcta, los trenes tienen cientos, si no miles de ruedas. Creo que el auto típico tiene 8 ruedas, y puede haber más de 100 autos por tren. Para la carga, el número de ruedas por automóvil puede ser aún mayor. Por lo tanto, el incentivo para reducir la fricción de rodadura para aumentar la eficiencia de crucero sigue ahí. Pero tengo que estar de acuerdo con su análisis: la fuerza de elevación, ya sea del cuerpo o de las alas, no es viable para un tren. Puedo publicar mi propia respuesta para agregar a esto.

— DrZ214

No desea disminuir la fuerza hacia abajo sobre las ruedas porque ese es su principal medio de reducir la velocidad en una emergencia . Ya lleva un tiempo detener un tren, no lo hagas más. Recuerde que la fricción cinética (ruedas bloqueadas) es proporcional a la fuerza hacia abajo sobre la rueda y los frenos se extienden a lo largo de cada automóvil.

Las ruedas del tren tienen bridas, por lo que no necesitan tracción para conducir. Los autos tampoco necesitan tracción en los rieles ya que las ruedas motrices solo están en los motores.

Ellos no necesitan tracción, ruedas son ligeramente cónica con el radio en el exterior es más grande que el interior y que están ambos acoplados al eje. De esta manera, cuando el tren está descentrado o en un giro, la rueda exterior tiene un radio efectivo más grande, por lo que lo volverá al centro de la vía.

— monstruo de trinquete
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