Вокруг нас нет ни одного тела, на которое бы не действовали другие тела или, что то же самое, силы. Все тела, которые накладывают ограничения на движение рассматриваемого тела, в механике называются связями. Любая связь действует на изучаемое тело с некоторой силой, которая в механике называется реакцией связи. Почему реакцией? Потому что по третьему закону Ньютона не только связь действует на тело, но и тело действует на связь, вызывая в ней «ответную» силу – реакцию.

Рассмотрим вопрос о реакции связи и её нормальной и тангенциальной компонентах на примере движения железнодорожного вагона на повороте рельсов, являющимися частью окружности известного радиуса R (см. рисунок). Вы знаете, что для движения тела по окружности необходимо, чтобы сила, действующая на него, была направлена к центру окружности. Но откуда берётся эта «боковая» сила при движении поезда вперёд?

Колесо локомотива или вагона имеет важную деталь – реборду (франц. reborde – гребень, то есть выступающая часть обода колеса), которая нужна, чтобы вагон не сошёл с рельсов на повороте. В момент, когда колесо входит на закругление, оно продолжает движение в прежнем направлении, действуя на рельс сбоку ребордой, которая при этом деформируется. В результате возникает «боковая» сила упругости Fупр (см. рисунок). Эта сила и заставляет вагон поворачивать, то есть двигаться по рельсам окружности. В отсутствии реборды эта сила не возникала бы, и вагон сошёл бы с рельсов.

Именно сила упругости реборды вызывает центростремительное ускорение вагона. Но наряду с силой упругости реборды, возникает и сила трения реборды о рельс. При движении по прямой этого касания нет, и сила трения уравновешивается силой тяги локомотива или предыдущего вагона.

Однако при повороте вагона трение реборд о рельс есть. Оно замедляет движение, а также приводит к повышенному износу (стриранию) как реборд колёс, так и рельсов на закруглённом участке траектории. Чтобы уменьшить нежелательную силу трения, надо уменьшить силу давления на боковые поверхности реборд и рельсов. Для этого насыпь грунта и гравия под рельсами делают наклонной в сторону центра окружности (см. рисунок).

Тогда «боковая» сила упругости с учётом наклона полотна дороги будет вычисляться по формуле:

В этой формуле: m – масса вагона, v – скорость поезда, R – радиус закругления рельсов, a – угол наклона насыпи под рельсами дороги. Формула показывает, что действующая на реборду сила уменьшается по сравнению с прямым участком дороги (выделено скобками). Значит, износ реборд и рельсов тоже уменьшается.

Например, на маршруте Санкт-Петербург – Хельсинки поезд «Аллегро» развивает скорость до 220 километров в час. Чтобы не терять её при движении на поворотах, вагоны «Аллегро» могут отклоняться от вертикали в сторону закругления полотна дороги на угол до 10 градусов. Это достигается разноуровневым положением рельсов пути (см. фото).

(C) 2012. Некрасов Александр Григорьевич (г. Санкт-Петербург)