Treinen rijden op rails, maar dat ze daar ook op blijven rijden, is veel minder vanzelfsprekend dan je zou denken. Het ontwerp en de montage van de wielen aan de as van een trein zijn cruciaal. En dat opent een deur naar een andere wereld: de wondere wereld van Wiel-Rail-Interactie.

Treinreizigers die stil komen te staan in een bocht voelen het meteen: de trein staat scheef. Voor een deel komt dat doordat het spoor in een hoek wordt gebouwd, zodat de trein op hoge snelheid lekker in de bocht ‘hangt’. Een beetje als een motorrijder die op het circuit aan de binnenbochtkant van zijn motor gaat hangen. Maar voor een ander deel heeft het te maken met de vorm van de wielen: die is kegelvormig, waarbij het deel dat de rails raakt een klein beetje schuin afloopt.

In het bovenstaande filmpje van Aachen University is goed te zien hoe dat werkt: simpelweg een stalen wiel met een flinke flens (die dikke rand) eraan is niet voldoende. Bij de eerste bocht springt het model uit de rails. Door de wielen kegelvormig te maken, lossen de wetten van de natuurkunde het probleem op – tenminste, als je de as rigide maakt, wat wil zeggen dat het ene wiel draait als het andere ook draait.
 

Differentieel

De kwestie draait om het probleem dat het wiel aan de buitenbochtkant van een as een langere afstand moet afleggen dan een wiel aan de binnenbochtkant. In auto’s wordt dat probleem meestal opgelost door een differentieel: de buitenste wielen draaien door dat slimme mechaniek harder dan de binnenste, waardoor de auto zonder grip te verliezen de bocht door kan.

In treinen geldt min of meer hetzelfde, maar tegelijkertijd is de situatie daar omgekeerd. De rigide as zorgt dat beide wielen even hard draaien, wat fundamenteel anders is dan de differentieeloplossing. Maar omdat de wielen conisch zijn, kan het binnenste wiel op een kleine wieldiameter gaan rollen (en dus een kortere afstand afleggen) en het buitenste op een grotere wieldiameter (en dus een grotere afstand afleggen). En dat gaat allemaal vanzelf!  

De consequentie is wel dat de as (en dus de trein) scheef komen te staan. Maar dat is alleen maar goed, want dat compenseert de middelpuntvliegende kracht als de trein met grote snelheid door de bocht dendert. Heel comfortabel. Maar als de trein in de bocht stilstaat, dan voel je het.
 

Wondere wereld van Wiel-Rail-Interactie

Een leuk en inzichtelijk filmpje, maar het verklaart nog niet waarom treinwielen er doorgaans niet zo uitzien als in het laatste voorbeeld. Ze zijn niet zo overdreven conisch en ze hebben wel degelijk een flens. Doorklikken geblazen dus en het is hier dat we uit het voorportaal door de Magische Deur stappen. Nu bevinden we ons volledig in de wereld van de Wiel-Rail-Interactie. Voelt u het?

Onze gidsen in deze wonderbaarlijke wereld zijn onderstaande keurige, en erg Amerikaanse treinnerds (en dat zeg ik met alle liefde en waardering in de wereld). Blijkbaar konden de jongens hun vlijtige knutselhanden niet bedwingen in de pauze van de Wheel Rail Interaction Conference 2017. Jawel, hier gaan hele conferenties over. De frisse treinwielfanaten zijn iets langer van stof, maar ze bieden ook veel meer info dan het korte filmpje van de Aachen University:
 


Wie eenmaal hier terecht is gekomen kan zich dankzij YouTube's suggested video's eindeloos vermaken met tientallen gespecialiseerde filmpjes over wiel-rail-interactie. Wist u bijvoorbeeld dat het een misvatting is dat treinwielen rond zijn? Tenminste: niet als ze op rails rollen. Net als een autoband wordt het deel van het wiel dat contact maakt met de rails als het ware platgedrukt. Veel minder dan een autoband natuurlijk, maar toch. In het Engels heet dit effect ‘creepage’ en je kunt het berekenen. En je kunt er presentaties aan wijden:
 


Dat brengt de hele vierkante-wielen-discussie van de NS, ieder jaar in de herfst, in weer een ander daglicht. Uw trouwe beeldbuisredacteur is ondertussen teruggeslopen naar de Magische Deur. Verder gaan in de wereld van wiel-rail-interactie zou gevaarlijk zijn; en bovendien wachten er nog andere onderwerpen.