El radio mínimo de curva ferroviaria es el radio de diseño más corto permitido para la línea central de las vías del ferrocarril bajo un conjunto particular de condiciones. Tiene una influencia importante en los costes de construcción y de explotación y, en combinación con el peralte (diferencia de elevación de los dos carriles) en el caso de las vías del tren , determina la velocidad máxima segura de una curva. El radio mínimo de una curva es un parámetro en el diseño de vehículos ferroviarios [1] , así como de tranvías ; [2] Los monorraíles y los carriles-guía automatizados también están sujetos a un radio mínimo.
El primer ferrocarril propiamente dicho fue el de Liverpool y Manchester , inaugurado en 1830. Al igual que las vías de tranvía que lo habían precedido durante cien años, el L&M tenía curvas y pendientes suaves . Las razones de estas curvas suaves incluyen la falta de resistencia de la vía, que podría haberse volcado si las curvas fueran demasiado cerradas provocando descarrilamientos. Cuanto más suaves sean las curvas, mayor será la visibilidad, aumentando así la seguridad mediante una mayor conciencia de la situación. Los primeros rieles se fabricaron en tramos cortos de hierro forjado , [ cita necesaria ] que no se dobla como los rieles de acero posteriores introducidos en la década de 1850.
Los radios de curva mínimos para los ferrocarriles se rigen por la velocidad operada y por la capacidad mecánica del material rodante para adaptarse a la curvatura. En América del Norte, los equipos para el intercambio ilimitado entre compañías ferroviarias se construyen para adaptarse a un radio de 288 pies (87,8 m), pero normalmente se utiliza un radio de 410 pies (125,0 m) como mínimo, ya que algunos vagones de carga (vagones de carga ) se gestionan mediante acuerdos especiales entre ferrocarriles que no pueden soportar la curvatura más pronunciada. Para el manejo de trenes de carga largos, se prefiere un radio mínimo de 574 pies (175,0 m). [3]
Las curvas más cerradas tienden a ocurrir en los ferrocarriles de vía estrecha más estrechos , donde casi todo el equipamiento es proporcionalmente más pequeño. [4] Pero el ancho de vía estándar también puede tener curvas cerradas, si se construye material rodante para ello, lo que sin embargo elimina el beneficio de estandarización del ancho de vía estándar. Los tranvías pueden tener un radio de curva inferior a 30,5 m (100 pies).
A medida que crecía la necesidad de locomotoras de vapor más potentes, también crecía la necesidad de más ruedas motrices con una distancia entre ejes fija y más larga. Pero las distancias entre ejes largas no se adaptan bien a las curvas de radio pequeño. Se idearon varios tipos de locomotoras articuladas (p. ej., Mallet , Garratt & Meyer ) para evitar tener que operar múltiples locomotoras con múltiples tripulaciones.
Las locomotoras diésel y eléctricas más recientes no tienen problemas de distancia entre ejes, ya que tienen bogies flexibles y también pueden operarse fácilmente en múltiples con una sola tripulación.
No todos los acopladores pueden manejar radios muy cortos. Esto es particularmente cierto en el caso de los topes europeos y los acopladores de cadena , donde los topes se extienden a lo largo de la carrocería del vagón. Para una línea con una velocidad máxima de 60 km/h (37 mph), los acopladores de amortiguación y cadena aumentan el radio mínimo a alrededor de 150 m (164 yardas; 492 pies). Como los ferrocarriles de vía estrecha , los tranvías y los sistemas de tránsito rápido normalmente no se intercambian con los ferrocarriles principales, los casos de este tipo de ferrocarriles en Europa a menudo utilizan acopladores centrales sin amortiguadores y se construyen con estándares más estrictos.
Un tren de carga largo y pesado, especialmente aquellos con vagones de carga mixta, puede tener dificultades en curvas de radio corto, ya que las fuerzas del mecanismo de tracción pueden sacar los vagones intermedios de los rieles. Las soluciones comunes incluyen:
Un problema similar ocurre con los cambios bruscos en las pendientes (curvas verticales).
Cuando un tren pesado toma una curva a gran velocidad, la fuerza centrífuga reactiva puede tener efectos negativos: los pasajeros y la carga pueden experimentar fuerzas desagradables, los carriles interiores y exteriores se desgastarán de forma desigual y las vías insuficientemente ancladas pueden moverse. [ dudoso ] Para contrarrestar esto, se utiliza un peralte (peralte). Idealmente, el tren debería estar inclinado de tal manera que la fuerza resultante actúe verticalmente hacia abajo a través de la parte inferior del tren, de modo que las ruedas, las vías, el tren y los pasajeros sientan poca o ninguna fuerza lateral ("hacia abajo" y "lateralmente" se dan con respecto al plano de la vía y del tren). Algunos trenes son capaces de inclinarse para mejorar este efecto y mejorar la comodidad de los pasajeros. Debido a que los trenes de carga y de pasajeros tienden a moverse a diferentes velocidades, un peralte no puede ser ideal para ambos tipos de tráfico ferroviario.
La relación entre velocidad e inclinación se puede calcular matemáticamente. Comenzamos con la fórmula para una fuerza centrípeta de equilibrio : θ es el ángulo de inclinación del tren debido a la inclinación, r es el radio de la curva en metros, v es la velocidad en metros por segundo y g es la gravedad estándar . aproximadamente igual a 9,81 m/s²:
Reorganizando para r da:
Geométricamente, tan θ se puede expresar (usando la aproximación de ángulo pequeño ) en términos del ancho de vía G , el peralte h a y la deficiencia de peralte h b , todo en milímetros:
Esta aproximación para tan θ da:
Esta tabla muestra ejemplos de radios de curva. Los valores utilizados en la construcción de vías férreas de alta velocidad varían y dependen del desgaste deseado y de los niveles de seguridad.
Los tranvías normalmente no presentan peralte debido a las bajas velocidades involucradas. En cambio, utilizan las ranuras exteriores de los rieles como guía en curvas cerradas.
Una curva no debe convertirse en recta de repente, sino que debe aumentar gradualmente su radio con el tiempo (una distancia de unos 40 a 80 m para una línea con una velocidad máxima de unos 100 km/h). Incluso peores que las curvas sin transición son las curvas inversas sin una vía recta intermedia. También se debe realizar la transición al peralte . Las velocidades más altas requieren transiciones más largas.
Cuando un tren toma una curva, la fuerza que ejerce sobre la vía cambia. Una curva de "cresta" demasiado cerrada podría provocar que el tren se salga de la vía al caer debajo de ella; Si es demasiado estrecho, el tren se estrellará contra los rieles y los dañará. Más precisamente, la fuerza de apoyo R ejercida por la vía de un tren en función del radio de la curva r , la masa del tren m y la velocidad v , viene dada por
siendo el segundo término positivo para valles y negativo para crestas. Para la comodidad de los pasajeros, la relación entre la aceleración gravitacional g y la aceleración centrípeta v 2 /r debe mantenerse lo más pequeña posible, de lo contrario los pasajeros sentirán grandes cambios en su peso.
Como los trenes no pueden subir pendientes pronunciadas, tienen pocas ocasiones de pasar por curvas verticales importantes. Sin embargo, los trenes de alta velocidad tienen suficiente potencia como para que las pendientes pronunciadas sean preferibles a la velocidad reducida necesaria para recorrer curvas horizontales alrededor de obstáculos, o los mayores costos de construcción necesarios para atravesarlos o puentearlos. La Alta Velocidad 1 (sección 2) en el Reino Unido tiene un radio de curva vertical mínimo de 10.000 m (32.808 pies) [6] y la Alta Velocidad 2 , con la velocidad más alta de 400 km/h (250 mph), estipula 56.000 m mucho más grandes. (183,727 pies) radios. [7] En ambos casos, el cambio de peso experimentado es inferior al 7%.
Los vagones de los pozos de ferrocarril también corren el riesgo de tener poco espacio libre en la parte superior de las crestas estrechas.
