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

Gran pregunta. Me sorprende que al buscar, no me he encontrado con una pregunta de tren-push vs pull en Physics SE. Intentaré dar una respuesta detallada.

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

Ahora, hablemos de los detalles. Tus razonamientos de fuerza son precisos en que, no haces más trabajo tirando de un peso cuesta 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, en realidad no importa, ya que las ruedas del tren casi nunca resbalan . Por supuesto, hay resbalones ocasionales en lo que respecta al hielo, la grasa, la materia orgánica, etc., pero el acero sobre acero con gran peso genera una fuerza de tracción impresionante. Vea esta pregunta para más detalles.

En la vida real, muchas compañías de trenes usan métodos de empujar y tirar. En un tren push-pull, tiene locomotoras duales en la parte delantera y trasera, a veces trabajando juntas, a veces turnándose. Las empresas también tiran de los trenes en un sentido y luego los empujan hacia atrás, ahorrando costos y teniendo que dar la vuelta al tren. Si estamos hablando de trenes de solo tirar frente a solo empujar, es una historia diferente.

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

1. más fácil de ver

   Por un lado, es más fácil y seguro llegar a donde se dirige cuando coloca sus sensores de tal manera que la información relevante para su movimiento le llegue lo antes posible . Casi siempre, esta es la parte más alejada de la dirección de tu movimiento (razón por la cual la mayoría de los animales tienen los ojos al frente). En otras palabras, puedes ver lo que hay delante de ti antes de golpearlo.

2. Más fácil de hacer

   En segundo lugar, un tren que tiene un motor de tracción es mucho más fácil de diseñar y construir. La mayoría de los vagones de tren están conectados por una especie de "atadura", que está mucho más cerca de una cuerda que de un palo. Es mucho más fácil diseñar y construir conexiones que sean cuerdas que jalen autos que palos que empujen autos. Lo que quiero decir con palo es algo que es rígido y resiste la deformación. Lo que quiero decir con cuerda, sin embargo, es algo que tira y es flexible. Un aparte interesante, una vez escuché a mi profesor decir que esa es una especie de definición de una cuerda en física; algo que sólo puede tirar y no empujar.

   De todos modos, en la vida real los vagones de tren no funcionan bien cuando se empujan con una cuerda (incluso una conexión semirrígida). Obtiene colapsos y distorsiones en la cadena general del tren porque las conexiones no pueden soportar la fuerza destinada a empujar el tren. Las pistas ayudan a mitigar esto hasta cierto punto, pero crean un estrés no deseado.

   

3. Más fácil de conducir/más seguro de conducir

   Solo tiene sentido empujar el tren si las conexiones son rígidas, pero luego la dirección del 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 un tren de tracción, aunque sé que algunos expertos dicen que la diferencia es lo suficientemente pequeña como para ignorarla 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 autos la siguen, pero la fuerza de empuje permanece recta mientras los autos de adelante experimentan la curva en pistas.

4. Diseño más eficiente

   También obtienes ineficiencias cuando empujas un tren no rígido porque todas las cosas pequeñas en 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 camino que no es rígido es, por definición, menos resistente que uno rígido y, por lo tanto, siempre que exista un camino no rígido y se empuje, se doblará y pandeará de una manera para la que no fue diseñado. Esto crea más fricción, desgaste, desgarro, calor, ruido y, en general, más cosas a tener en cuenta. A continuación se muestra solo una de las formas en que podría pensar en que un tren de empuje que sube cuesta arriba podría salir mal.

   

   Además, un motor de tracción tiene una superioridad inherente a un motor de empuje. Prueba esto; empuje lentamente una taza con el dedo sobre la mesa. Eventualmente, "perderás" la copa. Puede deslizarse hacia un lado o ser empujado a un lado por su dedo o girar para evitar su dedo. Ahora intente pasar la misma taza con el dedo por el asa. Nunca perderás la copa. No estoy seguro de cuán significativo es esto cuando hay pistas, pero imagino que ciertamente hay una diferencia.

   Idealistamente en un experimento mental, creo que no hay diferencia. Sin embargo, necesitarías 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 los motores de tracción como los de empuje tienen cosas que resisten el "levantamiento" del par del tren (peso de la carga frontal en el motor de empuje y la parte trasera que empuja hacia el suelo en el motor de tracción) ). Tenga en cuenta que es relevante si la locomotora es de tracción delantera, trasera o total. 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 potencia. La mejor manera de mitigar los caballitos no es mover más peso hacia la parte delantera del vehículo, sino agregar una barra para caballitos.

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

Cuando una locomotora empuja un tren pesado cuesta arriba, será necesario generar mucho par con las ruedas motrices.

Ahora, cuando está tirando, aplicar mucho torque puede hacer que la parte delantera de su locomotora se levante (piense en los autos de carreras). Pero si está empujando, la parte delantera de la locomotora en realidad está sujeta por el peso del vagón que está empujando.

Creo que esa es una razón suficiente para poner al menos un vagón delante de la locomotora, pero dado que sería un inconveniente tener el motor en el medio del tren, tiene sentido ponerlo en la posición cuesta abajo.