وقتی چند برگ پاییزی قطار چندصدتنی را متوقف می‌کنند

به گزارش سردبیر پرس و به نقل از زومیت، اکتبر ۲۰۲۲، یک قطار باری با صدها تن وزن در مسیر ترنس‌پناین، یکی از پرترددترین خطوط ریلی بریتانیا، ناگهان متوقف شد. نه موتور از کار افتاده بود و نه سیستم ترمز نقص فنی داشت. مقصر فقط برگ‌های پاییزی بودند.
ریل زیر چرخ‌های قطار چنان لغزنده شده بود که لوکوموتیو توان حرکت نداشت. ۹ ساعت طول کشید تا گروه‌های امدادی مسیر را پاک‌سازی کنند و قطار دوباره به راه بیفتد.در نگاه اول، ماجرا عجیب به نظر می‌رسد. چطور چند برگ می‌توانند قطاری با این وزن را متوقف کنند؟ پاسخ در فاصله بسیار کوچک میان چرخ و ریل نهفته است، جایی که لایه‌ای نازک از مواد گیاهی می‌تواند رفتار یک دستگاه عظیم را تغییر دهد.
نتورک ریل، نهاد مسئول زیرساخت راه‌آهن بریتانیا، این اتفاق را نمونه‌ای از پیامدهای کاهش چسبندگی ثبت کرده است. مشکلی که هر پاییز در شبکه‌های ریلی تکرار می‌شود و برای مقابله با آن قطارهای ویژه با آب‌پاش‌های پرفشار و مواد اصطکاک‌افزا به کار گرفته می‌شوند.
اما پژوهشگران به راه‌حلی غیرمنتظره هم رسیده‌اند. گاهی برای مهار ریلی که به‌خاطر رطوبت و برگ لغزنده شده، تنها باید کمی آب بیشتر روی آن ریخت.

برگ پاییزی چگونه به «تفلون سیاه» تبدیل می‌شود؟
وقتی قطاری با سرعت از مسیر عبور می‌کند، جریان هوای اطراف آن ممکن است برگ‌های ریخته‌شده در حاشیه مسیر را به هوا بلند کند و روی ریل بکشد. سپس چرخ‌های فولادی قطار برگ‌ها را زیر فشار خرد می‌کنند.
با عبور قطارهای بعدی، لایه‌ای تیره، نازک و سخت روی سطح ریل باقی می‌ماند. این پوشش صرفاً خمیر برگ نیست. ترکیبات آلی برگ ازجمله سلولز، لیگنین و پکتین، تحت فشار و دمای ناشی از عبور چرخ با آهن موجود در سطح فولاد واکنش می‌دهند و ماده‌ای می‌سازند که به ریل می‌چسبد.
پوسته سیاه‌رنگ شاید ضخامتی در حد کسری از میلی‌متر داشته باشد، اما اصطکاک میان چرخ و ریل را تقریباً از بین می‌برد. مهندسان رفتار این پوشش را به تفلون تشبیه می‌کنند، زیرا با کمی رطوبت به سطحی بسیار لغزنده تبدیل می‌شود.
دانشمندان در پژوهشی منتشرشده در نشریه RSC Advances توانستند در آزمایشگاه و با ترکیب عصاره برگ و فولاد ریل، ماده‌ای با خواص کاهش اصطکاک بازسازی کنند. هرچند جزئیات شیمیایی این فرایند هنوز کاملاً روشن نیست، اثر آن در شبکه‌های ریلی به‌خوبی دیده می‌شود.

تمام وزن یک غول فولادی روی سطحی به‌اندازه یک سکه
برای درک بهتر این اتفاق باید به محل تماس چرخ و ریل توجه کرد. برخلاف تایر لاستیکی خودرو که زیر وزن ماشین کمی پهن می‌شود، چرخ فولادی قطار تنها در ناحیه‌ای بسیار کوچک با ریل تماس دارد. این ناحیه که Contact Patch نامیده می‌شود، معمولاً حدود یک تا دو سانتی‌متر مربع وسعت دارد. بخش قابل‌توجهی از وزن قطار از همین سطح کوچک به ریل منتقل می‌شود.
موتور باید نیروی خود را از این نقطه به ریل منتقل کند و هنگام ترمزگیری نیز همین تماس کوچک وظیفه کاهش سرعت قطار را برعهده دارد. روی ریل تمیز و خشک، تماس فولاد با فولاد مقاومت غلتشی کمی ایجاد می‌کند و درعین‌حال اصطکاک کافی برای شتاب‌گیری و توقف وجود دارد. اما لایه برگ این تعادل را بر هم می‌زند.
در چنین شرایطی، چرخ هنگام شروع حرکت هرزگردی می‌کند و هنگام ترمزگیری روی ریل سر می‌خورد. موتور و ترمز همچنان کار می‌کنند، اما نیروی آن‌ها به‌درستی به ریل منتقل نمی‌شود. روی ریل تمیز و خشک، ضریب اصطکاک معمولاً بین ۰٫۳ تا ۰٫۴ است. آلودگی شدید می‌تواند این عدد را به کمتر از ۰٫۰۵ برساند و آزمایش‌های مربوط به لایه برگ حتی مقادیری نزدیک به ۰٫۰۱ را ثبت کرده‌اند.
در چنین وضعیتی قطار ممکن است روی کوچک‌ترین شیب درجا بزند یا برای توقف به مسافت بسیار طولانی‌تری نیاز داشته باشد. این مشکل گاهی پیامدهای جدی‌تری هم دارد. اکتبر ۲۰۲۴، قطاری مسافربری در نزدیکی تالردیگ ولز حدود ۱۰۸۰ متر از محل توقف تعیین‌شده عبور کرد و با قطاری دیگر برخورد کرد. یک نفر در این سانحه جان باخت. گزارش نهایی تحقیقات که در ژوئن ۲۰۲۶ منتشر شد، کاهش چسبندگی، عمل‌نکردن سامانه‌های پاشش ماسه و سرعت قطار هنگام نزدیک‌شدن به ایستگاه را از عوامل اصلی حادثه معرفی کرد.

چرا شبنم صبحگاهی می‌تواند از باران شدید خطرناک‌تر باشد؟
برگ‌های پاییزی حتی در حالت خشک هم مشکل‌ساز هستند، اما خطرناک‌ترین شرایط همیشه هنگام بارش شدید باران رخ نمی‌دهد. گاهی چند قطره شبنم صبحگاهی یا نم‌نم باران پس از چند روز خشکی، وضعیت خطرناک‌تری ایجاد می‌کند.
رطوبت اندک با بقایای برگ، اکسیدهای آهن و گردوغبار روی ریل ترکیب می‌شود و خمیری صابون‌مانند و بسیار لغزنده می‌سازد. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که خمیر لغزنده روی ریل تنها در مقدار مشخصی از رطوبت به بیشترین میزان خطر می‌رسد. کمی آب می‌تواند لایه تیره را لغزنده‌تر کند، اما اگر مقدار آب از حد مشخصی بیشتر شود، ساختار لایه به هم می‌ریزد و با عبور چرخ‌ها از سطح ریل جدا می‌شود.
درواقع، ریل کاملاً خیس ممکن است از ریلی که فقط شبنم روی آن نشسته، چسبندگی بیشتری داشته باشد. پژوهشی از دانشگاه شفیلد که در مارس ۲۰۲۶ منتشر شد، نشان داد مقدار آب موجود در خود لایه برگ، بهتر از رطوبت نسبی هوا میزان کاهش چسبندگی را توضیح می‌دهد.

راه‌حل خلاف انتظار، به ریل لیز آب اضافه کنید!
در تجربه روزمره، اگر کف آشپزخانه خیس و لغزنده شود، اضافه‌کردن آب بیشتر راه‌حل مناسبی نیست. اما شرایط تماس چرخ و ریل متفاوت است. وقتی خمیر غلیظی که با رطوبت کم تشکیل شده، عامل اصلی لغزندگی باشد، افزودن آب بیشتر می‌تواند شرایط را به نفع قطار تغییر دهد.
سال ۱۹۷۹، مهندسان راه‌آهن بریتانیا در بیرستد بانک، نزدیک میدستون، بخشی از ریل را عمداً با آب مرطوب کردند. چسبندگی در بخش خیس‌شده بهبود یافت، اما نصب مخزن و تجهیزات آب‌پاش در امتداد خطوط راه‌آهن هزینه و پیچیدگی زیادی داشت و ایده برای دهه‌ها کنار گذاشته شد.
چند دهه بعد، مهندسان راه‌حل دیگری پیدا کردند. به‌جای نصب تجهیزات کنار ریل، مخزن، پمپ و نازل‌ها زیر خود قطار قرار گرفتند. حاصل این پژوهش فناوری Water-Trak بود. این سامانه ریل را با فشار زیاد نمی‌شوید، بلکه درست پیش از رسیدن چرخ‌های بعدی، مقدار کنترل‌شده‌ای آب روی آن می‌پاشد.
Water-Trak با سامانه کنترل لغزش چرخ ارتباط دارد. وقتی چرخ‌های جلو لغزش را تشخیص می‌دهند، نازل‌ها مقدار دقیقی آب روی ریل می‌پاشند. به گفته توسعه‌دهندگان، تنها یک تا چهار میلی‌لیتر آب به‌ازای هر متر ریل می‌تواند در شرایط مناسب چسبندگی را افزایش دهد. این مقدار کمتر از یک قاشق چای‌خوری در هر متر است.
فناوری Water-Trak در سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۲ روی قطارهای مسافربری شرکت نورثرن آزمایش شد. طبق گزارش نتورک ریل، مسافت توقف دو قطار برقی مجهز به این سامانه در شرایط چسبندگی پایین بیش از ۱۲ درصد کاهش یافت. البته این میزان به شرایط همان آزمایش مربوط است و ممکن است فناوری در همه مسیرها یا انواع آلودگی نتیجه یکسانی نداشته باشد.

ارتش پاییزی راه‌آهن، شست‌وشوی ریل با فشار ۱۵۰۰ بار
فناوری Water-Trak جای قطارهای پاک‌سازی را نمی‌گیرد. در بریتانیا، هر پاییز خودروهای مخصوصی به مسیرها فرستاده می‌شوند که با مخازن آب و پمپ‌های قدرتمند، سطح ریل را شست‌وشو می‌دهند. فشار آب در نازل‌های این دستگاه‌ها به حدود ۱۵۰۰ بار می‌رسد تا لایه سیاه و سخت برگ‌ها از سطح فولاد جدا شود.
پس از شست‌وشو، در نقاط موردنیاز ژلی حاوی ماسه و ذرات فلزی روی ریل پاشیده می‌شود. ماسه اصطکاک را افزایش می‌دهد و ذرات فلزی به حفظ ارتباط الکتریکی قطار با ریل کمک می‌کنند. وجود ذرات فلزی اهمیت زیادی دارد. در بسیاری از خطوط ریلی، سیستم‌های هوشمند با استفاده از جریان الکتریکی ضعیف، حضور قطار را در مسیر تشخیص می‌دهند. لایه سیاه برگ‌ها گاهی مانند عایق عمل می‌کند و این ارتباط الکتریکی را مختل می‌سازد.
تفاوت دو روش جالب‌توجه است. قطارهای پاک‌سازی برای جداکردن لایه برگ به فشار ۱۵۰۰ بار نیاز دارند، اما Water-Trak با چند میلی‌لیتر آب، رفتار همان لایه را هنگام عبور قطار تغییر می‌دهد.

از یخ خشک تا لیزر، سلاح‌های جدید علیه برگ‌های پاییزی
نبرد مهندسان با برگ‌های پاییزی به روش‌های سنتی محدود نمی‌شود. در سپتامبر ۲۰۲۵، شرکت نورثرن آزمایش فناوری جدیدی به نام Cryogrip را آغاز کرد که ذرات یخ خشک را با جریان سریع هوا به ریل می‌کوبد. برخورد یخ خشک، لایه سیاه برگ را منجمد و متلاشی می‌کند. ازآنجاکه یخ خشک بلافاصله پس از برخورد تصعید و به گاز تبدیل می‌شود، هیچ رطوبتی روی ریل باقی نمی‌ماند.
روش‌های دیگری مانند استفاده از مواد تجزیه‌کننده بقایای برگ و پاک‌سازی لیزری نیز در دست بررسی هستند. باوجود تمام این راهکارها، برگ‌های پاییزی همچنان یکی از چالش‌های مهم شبکه‌های ریلی به شمار می‌روند.
برگ‌ها قدرت فیزیکی متوقف‌کردن قطاری چندصدتنی را ندارند، اما می‌توانند پل ارتباطی میان چرخ و ریل را مختل کنند. این اتفاق نشان می‌دهد سرنوشت ماشین‌های غول‌پیکر گاهی در لایه‌ای به ضخامت کسری از میلی‌متر رقم می‌خورد، لایه‌ای که برای جداکردنش شاید به فشار ۱۵۰۰ بار نیاز باشد و گاهی تنها با چند میلی‌لیتر آب می‌توان اثر آن را کاهش داد.
۵۸۳۲۳