Trenes: ¿pueden los perfiles aerodinámicos reducir la fricción?

Los trenes necesitan energía para superar la fricción en la interfaz rueda-riel durante el funcionamiento constante a alta velocidad.

Aerofoils en el techo podrían proporcionar sustentación, reduciendo la fricción y potencialmente ahorrando combustible. ¿Sería suficiente el ahorro de energía para superar la mayor resistencia causada por las "alas"?

Respuestas (2)

La fricción que deben superar los trenes es casi puramente la resistencia del aire, no la resistencia a la rodadura. Hacer rodar una rueda de acero sobre una superficie igualmente dura (es decir, los rieles) es extremadamente eficiente.

Agregar alas al tren solo aumentaría la resistencia aerodinámica, en particular si las alas generan sustentación (lo que hay que buscar aquí se llama "resistencia inducida" ).

Por cierto, también para automóviles y bicicletas, la resistencia supera en gran medida la resistencia a la rodadura en todas las velocidades, excepto en las más lentas.

Exactamente. Compare con los barcos que usan "perfiles aerodinámicos" bajo el agua para levantar el casco fuera del agua, reduciendo así drásticamente la resistencia inducida por el agua.

TLDR: No soy ingeniero, pero creo que esto sería perjudicial.

El tren en realidad no tiene que superar la fricción en los puntos de contacto. De hecho, la fricción es lo que permite que las ruedas rueden. Si no hay suficiente fricción, la rueda comenzará a patinar y ESTO provocará un desperdicio masivo de energía. De hecho, la cantidad de fricción dicta cuánto torque y aceleración puede aplicar sin resbalar. Es por eso que las ruedas de los automóviles están hechas de un material que tiene un buen "agarre" en la carretera (maximizando la fricción).

De hecho, las pérdidas experimentadas en la interfaz rueda/carril se denominan resistencia a la rodadura y se deben principalmente a deformaciones no elásticas. El mecanismo es diferente, pero el resultado es similar; los ingenieros definen una resistencia a la rodadura F proporcional a la fuerza normal (peso de los trenes, PAG ), similar a la fricción por deslizamiento:

F = C PAG
De Wikipedia, un orden de magnitud razonable y pesimista para C sería C ≈ 10 − 3 .

Ahora, veamos la acción de sus perfiles aerodinámicos. Generan una fuerza de sustentación L y arrastrar D . El elevador reducirá el peso efectivo en la ecuación de resistencia a la rodadura a PAG − L , mientras que el drag es solo el malo de tu historia. Para que nuestra conclusión sea segura, tomemos una relación de sustentación/resistencia increíblemente optimista L / D = 20 (superficies aerodinámicas "eficientes").

La nueva resistencia a la rodadura se puede calcular de la siguiente manera:

F norte mi w = C ( PAG − L ) = C PAG − 20 C D ≈ F norte o r metro a yo − 0.02 D
Por lo tanto, con esta estimación rápida y sucia (y optimista), vemos que la reducción en la resistencia a la rodadura es solo alrededor del 2% de la fuerza de arrastre introducida. Por lo tanto, sus perfiles aerodinámicos terminarán siendo perjudiciales. Esto sin mencionar el hecho de que efectivamente reducirá la fricción de la rueda, lo cual es perjudicial como establecimos (reduciendo el par máximo que puede aplicar antes de patinar).

Debo enfatizar que no soy ingeniero y no puedo garantizar que mi respuesta siga un buen "tren" de pensamiento. Esto es solo un poco de sentido común y estimaciones rápidas, que parecen señalar que la resistencia introducida eclipsará enormemente la reducción de la resistencia a la rodadura.

Si no hay suficiente fricción para mantener el rodamiento, ciertamente tampoco hay mucha fricción de "deslizamiento", por lo que no estoy de acuerdo con ese punto.
Acordado. No estoy seguro de a qué punto te refieres.
@CarlWitthoft se refiere a la 'pérdida de energía' debido al deslizamiento.
Oh, lo entiendo, pero una situación de resbalamiento básicamente equivale a girar las ruedas sin motivo alguno (ya que no hace que el tren avance mientras se resbala), con al menos alguna pérdida de energía. Por lo tanto, considero que el deslizamiento de la rueda es un desperdicio de energía puro, básicamente rechinar la rueda en el riel sin obtener ningún resultado. Además, pensándolo bien, detener el giro de un tren de ruedas a toda velocidad no es precisamente un juego de niños. Por lo tanto, la fricción puede ser considerable y, al mismo tiempo, permitir que la rueda se deslice. Pero no quiero desviarme demasiado, esto está un poco alejado del núcleo de la pregunta.
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