¿Tener el motor empujando en la parte trasera de un ferrocarril empinado tiene alguna ventaja mecánica sobre un motor tirando desde la parte delantera?

Question

Tras una reciente visita a un ferrocarril de montaña, nos dijeron a unos amigos y a mí que la locomotora empujaba los vagones hacia la montaña desde la parte trasera y también permanecía en la misma posición conduciéndolos de vuelta a la montaña.

Se suponía que esto era para evitar que los vagones se escaparan al subir o bajar, pero un amigo sugirió que se podía obtener una ventaja mecánica al tener el motor en esta posición "más baja" en lugar de la más alta. Su postulación es que el motor experimentaría una mayor fuerza hacia abajo (peso) y, por tanto, más fricción (/mordida) entre los raíles y la vía, lo que haría que el motor fuera más eficiente, permitiéndole ejercer más fuerza sobre los vagones con menos energía desperdiciada en el deslizamiento.

Motores en diferentes posiciones

He pensado en la fuerza que actúa sobre una sola rueda en una pendiente, y creo que se resuelve como:

$F_{normal}=mass \cdot 9.81 Nkg^{-1} \cdot cos (\theta)$

Para mí la masa es constante y el peso no aumentará. Más fuerza actuando en la parte delantera del motor en el $x$ dirección no aumentaría el peso y por lo tanto no aumentaría la fuerza en el $y$ dirección y no habría un aumento de la fricción entre las ruedas del motor y los carriles.

¿Hay alguna manera de que la posición más baja tenga alguna ventaja?

Nota: La discusión es puramente teórica ya que resultó que el ferrocarril funcionaba con un sistema de engranajes y cremalleras :)

Tras leer las aportaciones de HsMjstyMstdn y Floris, parece que (dependiendo de un acoplamiento rígido) se aplicaría una fuerza hacia abajo por parte de un carro que contrarrestaría el par que $could$ levantar las ruedas del motor, y reducir la fricción. ¿Esto es igual en los casos de empuje y de tracción, o la posición podría significar que uno es menos propenso a "levantar" y menos propenso a deslizarse?

Además, ¿cómo se puede referir a esta fuerza descendente? Me parece que no es el peso, pero está actuando en la misma dirección.

Answer 1

Gran pregunta. Me sorprende que, al buscar, no haya encontrado una pregunta de empuje de trenes vs tirón en Physics SE. Intentaré dar una respuesta detallada.

TLDR; Conceptualmente, el motor de arrastre es mejor, pero tanto los trenes de empuje como los de arrastre son factibles y existen en la vida real. Si te refieres a un experimento mental idealizado, no creo que haya diferencia.

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Ahora, hablemos de los detalles. Tus razonamientos sobre la fuerza son correctos en el sentido de que no haces más trabajo tirando de un peso hacia arriba que empujándolo. La fuerza normal/de reacción que es relevante para la fricción experimentada es perpendicular a la fuerza de empuje/tracción y, como tal, no puede contribuir a la magnitud de la fricción. Sin embargo no importa realmente ya que las ruedas del tren casi nunca se resbala . Por supuesto, hay algún deslizamiento ocasional en lo que respecta al hielo, la grasa, la materia orgánica, etc., pero el acero sobre el acero con un gran peso hace que la fuerza de tracción sea impresionante. Véase esta pregunta para más detalles.

En la vida real, muchas empresas ferroviarias utilizan tanto el método de empujar como el de tirar. En un tren de empuje y tracción, hay dos locomotoras delante y detrás, que a veces trabajan juntas y otras se turnan. Las empresas también tiran de los trenes en un sentido y luego los empujan hacia atrás, ahorrando costes y teniendo que dar la vuelta al tren. Si hablamos de trenes de tracción o de empuje, la cosa cambia.

Teóricamente, no El motor que empuja por detrás no tiene ninguna ventaja mecánica sobre el motor que tira por delante. De hecho, es al revés. Por muchas razones, creo que el motor que tira tiene la ventaja, aunque sea pequeña.

1. Más fácil de ver

Por un lado, es más fácil y seguro llegar a tu destino cuando colocas tus sensores de manera que te llegue la información relevante para tu movimiento más pronto . Casi siempre es la parte más alejada de la dirección de su movimiento (por eso la mayoría de los animales tienen los ojos delante). En otras palabras, consigues ver lo que está delante de ti antes de golpearlo.

2. Más fácil de hacer

En segundo lugar, un tren con motor de arrastre es mucho más fácil de diseñar y construir. La mayoría de los vagones están conectados por una especie de "correa", que se parece mucho más a una cuerda que a un palo. Es mucho más fácil diseñar y construir conexiones que sean cuerdas que tiren de los vagones que palos que empujen los vagones. Lo que entiendo por palo es algo que es rígido y resiste la deformación. En cambio, lo que entiendo por cuerda es algo que tira y es flexible. Una vez escuché a mi profesor decir que ésa es la definición de una cuerda en física: algo que sólo puede tirar y no empujar.

De todos modos, en la vida real los vagones no van bien cuando se les empuja con una cuerda (incluso una conexión semirrígida). Se producen colapsos y distorsiones en la cadena general del tren porque las conexiones no pueden soportar la fuerza con la que se pretende empujar el tren. Las vías ayudan a mitigar esto hasta cierto punto, pero crea una tensión no deseada.

3. Más fácil de dirigir / más seguro de conducir

Sólo tiene sentido empujar el tren si las conexiones son rígidas, pero entonces dirigir el tren se vuelve mecánicamente más difícil porque el tren se vuelve menos flexible en su conjunto. Las posibilidades de descarrilamiento también son mayores en un tren de empuje que en uno de tracción, aunque soy consciente de que algunos expertos dicen que la diferencia es lo suficientemente pequeña como para ser ignorada y no es significativa (especialmente en referencia a Glendale 2005 y Oxnard 2015). Creo que esto se debe a que la dirección de la fuerza cambia antes con respecto a la dirección del cambio de vía en un tren de tracción que en un tren de empuje. En otras palabras, la fuerza de tracción cambia con la curva y los otros coches la siguen en consecuencia, pero la fuerza de empuje permanece recta mientras los coches de delante experimentan la curva en las vías.

4. Diseño más eficiente

También se obtienen ineficiencias cuando se empuja un tren no rígido porque todas las cosas pequeñas de un tren se distorsionan cuando y como pueden. Las fuerzas y estas cosas en general tienden a tomar siempre el camino de menor resistencia . Un trayecto no rígido es, por definición, menos resistente que uno rígido y, por tanto, siempre que exista un trayecto no rígido y se le empuje, se doblará y se combará de una manera para la que no fue diseñado. Esto crea más fricción, desgaste, rotura, calor, ruido y, en general, más cosas a tener en cuenta. A continuación se muestra una de las formas en las que se me ocurre que un tren de empuje que va cuesta arriba podría salir mal.

Además, un motor de tiro tiene una superioridad inherente a un motor de empuje. Prueba esto; empuja lentamente una taza con el dedo por la mesa. Con el tiempo, "perderás" la taza. Puede que se deslice hacia un lado o que sea empujada por su dedo o que se gire para evitar su dedo. Ahora intenta tirar de la misma taza con el dedo a través de su asa. Nunca perderás la taza. No estoy seguro de la importancia de esto cuando hay pistas, pero me imagino que ciertamente hay una diferencia.

De forma idealista en un experimento de pensamiento, creo que no hay diferencia. Sin embargo, se necesitaría algún tipo de material exótico, junto con una rigidez perfecta, trenes perfectos con conexiones perfectas, vías impecables, etc.

Editar

En respuesta a la pregunta actualizada, con un acoplamiento rígido, tanto las locomotoras de tracción como las de empuje tienen cosas que resisten el par de "elevación" del tren (el peso de la carga delantera en la locomotora de empuje y la parte trasera que empuja hacia el suelo en la locomotora de tracción). Hay que tener en cuenta que el hecho de que la locomotora sea de tracción delantera, trasera o total es relevante. Dicho esto, sigo manteniendo que el motor de tracción es superior porque el punto aquí es esencialmente que el tren está haciendo un caballito de fuerza. La mejor manera de mitigar los caballitos no es trasladando más peso a la parte delantera del vehículo, sino añadiendo un barra de ruedas .

Answer 2

La imagen en la respuesta de HsMjstyMstdn me hizo pensar (aunque creo que no es lo que la imagen intentaba mostrar...):

Cuando una locomotora empuja un tren pesado por una pendiente, tendrá que generar mucho par con las ruedas motrices.

Ahora bien, cuando estás tirando, aplicar mucho par puede hacer que la parte delantera de tu locomotora se levante (piensa en los coches de carreras de arrastre). Pero si estás empujando, la parte delantera de la locomotora se mantiene abajo por el peso del coche que está empujando.

Creo que es razón suficiente para poner al menos un vagón delante de la locomotora, pero como sería inconveniente tener la locomotora en medio del tren, tiene sentido ponerla en posición descendente.