Физика в строительстве железнодорожных путей.

ФИЗИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ПУТЕЙ.

Довгий М.В.

ОБПОУ «Курский автотехнический колледж»

В самую раннюю эпоху развития железнодорожного сообщения возникли затруднения по укладке железнодорожных путей через водные рубежи. Мосты, возникли на ряду с дорогами. Дерево, которое впервые упало и соединило два берега реки, стало балочным мостом простейшего типа. Каменным мостом стала скала, обрушившееся в ту же реку. За свою историю человечество усовершенствовало технологию строительства мостов, доведя до искусства, а сами конструкции очень разнообразны по своей форме. Но даже при таких достижениях они совершенно не подходили для таких нагрузок, и при этом мосты должны быть легкими и прочными.

Раньше активно использовали паромы для переправы через широкие водоемы, так как тяжелый железнодорожный транспорт требовал огромных масштабов железнодорожных сооружений. Проблемы по конструированию таких сооружений решили в России. О строительстве первых мостов было упомянуто еще в 1020 году в «Русской правде». Далее при рассмотрении истории становления мостостроительства становиться понятно каким образом, удалось достичь такого удобства путешествий поездом.

Сделав ретроспективный анализ истории железнодорожных путей, следует перейти к физическим основам построения мостов.

Конструкция мостов должна отличаться не только прочностью, жесткостью и устойчивостью, но и надежностью. Ведь малая площадь опирается на грунт, который в свою очередь расположен рядом с водоемами, что приводит к их набуханию, а значит и уменьшает устойчивость.

Прочность моста определяется физическими свойствами материалов и физическими законы. Прочность моста – это способность сопротивляться разрушению и воздействию извне. Перед конструкторами стоит задача определить распределение сил, действующих на мост. При этом эти силы должны быть в равновесии и тогда мост будет стабилен и после незначительных отклонений (порывов ветра, легких толчках) приходит в равновесие. Это и определяет устойчивость. Причем само сооружение испытывает такие виды деформации как сжатие, изгиб, растяжение и сдвиг. Срок службы зависит от того, какие - это будут деформации упругие или пластические. Важно чтоб деформация исчезала после снятия деформирующих факторов. Это определяется жёсткостью конструкции, способность сопротивляться образованию деформаций.

Рассмотрим упругое растяжение стержня входящего в конструкцию моста, его длина равна l₀, а площадь поперечного сечения S, под действием внешней силы F. Как только сила упругости становиться равной внешней силе, деформация прекращается. И здесь нужно обратиться к закону Гука.

Роберт Гук английский ученый обратил внимание, что если деформировать объект, то начинает действовать некая сила возвращающая исходное состояние объекту. Эта сила есть сила упругости. Следовательно, , где - итоговая длина стержня моста. Но лучше использовать относительное удлинения для расчета, а именно . Данное выражение представляет собой отношение абсолютного удлинения тела к первоначальной длине.

Из физики известно, что сила тяжести, как и вес тела имеет связь с силой упругости, а конкретно с силой реакции опоры. Обратимся к определениям этих сил. Вес тела – это сила с которой тело действует на подвес или опору в следствии его притяжения к Земле. А сила тяжести – это частный случай силы тяготения. Таким образом, вес конструкции – это силы, воздействующие на опору и препятствующие ее падению, возникшие в поле сил тяжести. А опора начинает действовать на конструкции с силами упругости.

В результате соприкосновения креплений и материалов возникает сила трения. Также из физики, мы знаем, что трение – это сила, возникающая в результате соприкосновения двух тел и препятствует их дальнейшему движению относительно друг друга. А значит, на оба тела она действует, но в противоположные стороны. Если рассматривать конструкцию моста, чтоб она не рассыпалась, на все тросы, винты, гайки действует трение. А само дорожное полотно прикреплено к аркам стальными вантами на которые, также действует она.

Немаловажным при строительстве мостов является расчет тепловых расширений конструкций, в том числе определение действия мороза на воду и почву. Из-за температурных перепадов конструкция моста подвергается деформации. А в случае замерзания почв и воды происходит внешнее давление на мост. Примером может служить даже то, что разводные мосты не работают в условиях выше 25⁰ С и ниже 10⁰ С.

Рассмотрим, ситуацию должны построить два железнодорожных моста. Строительство одного будет проходить на севере, а второго на юге. Определим зазоры, которые будут компенсировать удлинения моста на 1⁰ С. Причем сразу уточним, что на севере температура меняется температурных пределах от –50⁰С до + 20 ⁰С, а на юге от –10 ⁰С до +50 ⁰С. Стальной мост длиною 100 м при 0 ⁰С, его коэффициент линейного расширения составляет α=0,00001 . Если температура падает ниже 0 ⁰С зазор увеличивается. А из этого следует, что зазор может быть определен лишь максимальной температурой нагревания. Тогда на юге l=50мм, а на севере l=20мм. Так как .

Необходимо помнить и про ветровые нагрузки. Известно такое аэродинамическое явление как «флаттер». Когда все части конструкции начинают раскачиваться одновременно. На сегодняшний день это явление хорошо изучено. Даже появился новый раздел науки: аэроупругость. На резонанс идет проверка всех мостов. Так как они могут совершать свои собственные колебания и при воздействии со стороны возникает данное явление.

Таким образом, при строительстве мостов, а именно, железнодорожных берутся в расчет все законы раздела механики, а сами по себе – это уникальные сооружения, отличающиеся между собой: длиной моста, количеством путей и мостовым полотном.

Литература

1. Мосты и сооружения на дорогах: учеб.-метод. пособие по выполнению расчетно-графических работ / В. В. Левтринский, П. Ю. Этин ; М-во трансп. и коммуникаций Респ. Беларусь, Белорус. гос. ун-т трансп. – Гомель: БелГУТ, 2015. – 73 с.

2. Мосты и тоннели на железных дорогах / Под ред. В.О. Осипова - М.: Транспорт, 1988. - 367 с.

3. Тепловые явления в технике: Пособие для учащихся / Б. Ф. Билимович. - М. : Просвещение, 1981. - 96 с.: ил., 2 л. ил.; 22 см.