Почему между рельсами оставляют щели, а на скоростных путях их нет

Вы когда-нибудь обращали внимание на характерный перестук колёс? Это колесо на скорости бьёт по стыку рельсов, и так продолжается тысячи раз за одну поездку.

А вот на скоростных магистралях такого стука нет совсем. Там рельсы уложены сплошной ниткой на километры. Получается, что без зазоров можно обойтись?

Зачем рельсу нужно "личное пространство"

Сталь живёт по простому закону: нагрелась — расширилась, остыла — сжалась. Коэффициент теплового расширения у рельсовой стали небольшой, около 0,0012% на градус, и на глаз этого не заметишь. Проблема в масштабе.

100 метров рельса при перепаде в 100 градусов удлиняются примерно на 12 сантиметров.

Для рельса перепады температуры колоссальные: зимой сталь уходит в глубокий минус, а летом на солнце она примерно на 20 градусов горячее воздуха. В российских нормах для отдельных районов закладывают годовые амплитуды температуры рельса больше 110 °C (!!!).

Если бы длинная рельсовая нить лежала свободно, её удлинение на километрах шло бы на метры. Но рельс зажат шпалами и креплениями, поэтому вместо видимого удлинения в нём копится невидимая сила — продольное напряжение. И этой силе нужно давать выход.

Классическое решение — резать путь на куски по 12,5 или 25 метров и оставлять между ними зазор, обычно до 20 миллиметров.

Это фото в интернете гуляет с подписью «Последствия землетрясения в Новой Зеландии». На самом деле такие «змеиные» рельсы возникают из‑за температурного расширения и потери устойчивости полотна, если его плохо закрепили или не предусмотрели компенсацию.

Сталь при нагреве расширяется; длинный непрерывный рельс при жаре может «вырасти» на сантиметры. Если шпалы или крепления слабые, рельс начинает изгибаться в горизонтальной плоскости — получается тепловой выброс, как на фото.

Размер зазора не случайный: его рассчитывают так, чтобы он полностью закрывался при максимальной рабочей температуре рельса. Зимой зазоры раскрываются шире, летом смыкаются — так это работает в идеальной схеме. В реальном пути в игру вмешиваются болты, накладки и угон рельса (его продольное сползание под поездами), поэтому зазоры не просто оставляют, а регулярно проверяют и регулируют. Сами стыки стягивают накладками — стальными корсетами на болтах.

И тут возникает тот самый стук. Колесо проходит стык и получает микроудар, за ним ещё один, и ещё. Каждый удар — это износ рельса, колёсной пары, креплений и щебёночного балласта, плюс шум и вибрация в вагоне. Романтика, за которую дорога расплачивается металлом.

А теперь главный вопрос: что случится, если зазор не оставить?

Лето, жара — рельсы пошли волной

Ничего хорошего. Нагретый рельс упирается в соседей, деваться ему некуда, и продольное сжатие растёт, как в зажатой пружине. В какой-то момент сила превышает то, что способны удержать шпалы и балласт, — и путь «выстреливает»: рельсошпальная решётка уходит в сторону змейкой.

Железнодорожники называют это выбросом пути. Поезд на таком участке рискует сойти с рельсов: колесо рассчитано на ровную направляющую, а не на стальную змейку, внезапно ушедшую вбок.

Учились этому, как водится, на авариях. В раннюю эпоху железных дорог рельсы катали короткими, стыков было много, а культура расчёта и содержания пути только складывалась. Со временем стало понятно: важен не сам факт щели, а её величина при конкретной температуре рельса.

Как обошли физику? Скоростные магистрали без стыков

Рельсы сваривают в сплошные плети длиной в километры. Сталь при этом расширяться не перестала.

У каждой плети есть своя «нейтральная температура»: рельс намертво крепят к шпалам при такой температуре, чтобы внутри него не было никаких сил — он не тянет и не давит. Станет холоднее — металл захочет сжаться, но шпалы не пустят, и рельс будет работать на растяжение. Станет жарче — наоборот, на сжатие.

Вся хитрость в том, чтобы выбрать эту точку равновесия правильно: тогда зимний мороз не порвёт рельс, а летняя жара не выгнет путь змейкой. Если в день укладки металл холоднее нужного, плеть попросту растягивают гидравлическими домкратами или греют — задают стали правильную «память» длины.

Держит эту стальную струну не сварка, а всё вокруг: тяжёлые бетонные шпалы, пружинные крепления, толстый слой щебня. А там, где рельсу всё же нужна свобода — на мостах и у стрелок, — ставят специальные компенсирующие стыки, предохранительный клапан для длинной плети. Взамен дорога получает тишину, меньший износ и возможность гнать 300 км/ч. Но и цена есть: обслуживать такой путь дороже, а дисциплина нужна железная — путейцы в буквальном смысле меряют рельсу температуру термометром, прежде чем что-то с ним делать.

Отдельный вопрос с метро, где стук то есть, то нет.

Почему метро живёт без зазоров

В тоннеле метро температурный режим мягче: нет солнца, суточные и сезонные перепады небольшие. Тепловое расширение никуда не исчезает — просто амплитуды не те, поэтому термозазоры там часто не делают вовсе: сплошной рельс меньше раскачивает вагон вбок, а в тесном тоннеле это вопрос не комфорта, а габарита — стены и оборудование близко.

Знакомый стук под землёй всё же слышен, но его дают другие устройства: изолирующие стыки — электрические границы, по которым сигнализация понимает, занят участок поездом или свободен, — а ещё стрелки и крестовины.

В целом же стук колёс постепенно уходит в прошлое — новые технологии позволяют решить проблему теплового расширения более изящным способом.