Как-то в Испании ехал из Мадрида в Барселону на поезде — пуле, ехавшем со скоростью 300 километров в час. Задумался над вопросом, а как интересно поезд на такой скорости может ехать так тихо. Меня занимал не столько вопрос что не стучат колеса — это объясняется бесшовной сваркой путей, но как получается так, что колеса на такой скорости не пищат. Начал задумываться над вопросом, а как поезд вообще едет и не сходит с рельсов. 99% людей в том числе и я поначалу полагают, что поезд удерживают на рельсах особые выступы на колёсах, которые и не дают поезду слететь с рельс. Однако размышлял я, если сама поверхность колеса катиться по рельсе и тут вопросов не возникает, то выступы находятся по бокам рельсы и когда поезд хочет соскочить с рельсы этот выступ трется об рельсу упираясь в неё и тогда по логике должен возникать дикий писк, более того как от точильного станка должен идти сноп искр. Если бы эти выступы терлись постоянно то поезд должен был бы ехать громче ракеты и как пылать как факел снопами искр из под колёс на такой скорости. С другой стороны поезд не может катиться идеально ровно, даже малейшее дуновение ветра его бы кидало выступом на рельсу и рождало бы описанный выше эффект. Но этого всего нет. Значит дело не в этом. Ответ содержится в самом колесе поезда. Всё как обычно ещё проще чем кажется. Колеса поезда конусообразные если к ним присмотреться. То есть поезд стоит на рельсах не плашмя колесами, а как бы более толстыми основаниями конусов к центру и более тонкими наружу. Таким образом сила притяжения тянет поезд вниз и вместе с тем тянет его как бы внутрь колеи и вниз — эта сила на самом деле и держит поезд на рельсах. А выступы на колесах лишь для безопасности, когда во время поворотов поезд сильно накреняется и силы конусов не достаточно, тогда он упирается в рельсу выступом, как раз тогда мы и слышим писк этого трения. Поэтому он обычно возникает именно при поворотах поезда.
Недавно посмотрел видео одного знаменитого физика, как раз на эту тему. Он ещё больше расширил моё понимание этого процесса. В отличии от колёс автомобиля оси которого не цельные, а разрезаны на две части и между ними установлен дифференциал, оси у поезда цельные. По сути о чём тут речь — вопрос о том как они поворачивают. Если посмотреть на траекторию поворота то всегда видно, что внутренние колеса делают меньше оборотов — так как длина внутренней колеи меньше внешней, а внешние колеса делают больше оборотов — проезжая большую дистанцию — за счёт дифференциала это и возможно. Если бы ось была цельной — колеса могли бы вращаться только вместе, а поскольку у каждого своя полуось машина и может поворачивать. А как же с поездом, его колеса находятся на цельной оси, но в тоже время там такой же закон — внешняя колея длиннее, чем внутренняя. Как же внешние колеса могут сделать больше оборотов чем внутренние. Тут нам и помогают наши конусы — поезд просто наклоняется в повороте и при наклоне внешние колеса от центробежной силы выносит наружу поворота и колесо перемещается на более толстый участок конуса, а внутреннее наоборот съезжает с рельсы более внутрь на более тонкий участок конуса и получается, что внешнее колесо становиться большего диаметра и может при том же количестве оборотов проехать большую дистанцию, а внутреннее наоборот при том же количестве оборотов проехать меньшую дистанцию. Так поезд и поворачивает.
