止められないものを止める：止められない力がダンパー付き減衰器に出会うとき

止まらないものを止める

（この記事は、上記の埋め込み動画のトランスクリプトです。）

2016年9月29日の朝、ニュージャージー・トランジットの通勤列車がラッシュアワーにホボケン・ターミナルに約250人の乗客を乗せて進入しましたが、止まりませんでした。列車は線路の終端に到達し、バンプポストを乗り越えて、時速約21マイルでターミナル壁に激突しました。瓦礫がプラットフォームに落下し、1人が死亡、110人の乗客と乗員が負傷しました。

わずか3ヶ月後、実質的に同じシナリオが再び発生しました。今回はブルックリンのアトランティック・ターミナルでの出来事です。ロングアイランド鉄道の列車がターミナル線の終端に衝突しました。先頭車両は乗り上げてコンクリートプラットフォームの上に乗り上げる形で停止しました。108人が負傷しましたが、幸いにも死者は出ませんでした。

両方の調査で、NTSBは単純な結論に達しました。列車が止まらなかったのは、運転士が居眠りしていたためです。彼らは事故後、眠気と疲労を引き起こす慢性疾患である睡眠時無呼吸症候群と診断されました。しかし、NTSBは、衝突前に各列車を止めることができたかもしれない安全装置やシステムの不在も指摘しました。

鉄道を思い浮かべるとき、それはおそらく無限に感じられるでしょう。線路は両方向に何マイルも伸びており、間違いが起こるには十分な余地があります。しかし、すべての線路には終点があります。ブレーキがいかに優れており、乗務員がいかに経験豊富で訓練されていても、個人、生物学的、そして誤りやすい人間に依存するシステムは、最終的には故障します。

だからこそ、線路終端の保護は非常にユニークな工学的な問題なのです。ホボケンとアトランティック・ターミナルでのバンプポストが失敗したと言う人もいるかもしれませんが、実際には、それらは高速で走行する旅客列車を「捕らえる」ようには設計されていませんでした。それらは最後の手段としてのバックストップであり、低速状況のために設計されていました。列車のブレーキには多くの冗長性があり、故障は稀ですが、それらのブレーキは、何らかの方法で適用されない限り機能しません。それが起こらない場合、静的なバンプポストはあまり保護を提供せず、事態を悪化させる可能性さえあります。線路終端の保護は単純な問題のように思えますが、その解決策は非常に複雑です。そしてもちろん、私はそれらをより詳しく調べるためにガレージに小さなモデルを作りました。私はグレイディ、そしてこれはPractical Engineeringです。

多くの点で、列車の停止は非常に初歩的な物理学の問題です。列車の質量、速度、そして初歩的な方程式があります：質量×速度の2乗の半分。これがシステムの運動エネルギーを与えます。列車を停止させるためには、そのすべてのエネルギーが列車から離れてどこかに行かなければなりません。しかし、これは桁違いに変化する可能性があります。構内をゆっくりと進む空の貨車1両は、運動エネルギーがわずか100キロジュール程度にしかならないかもしれません。部分的なブレーキ故障のような低速でのオーバーランを経験した路面電車やトラムは、停止するのに数百キロジュールを必要とするかもしれません。ライトレールでは、ターミナル進入速度で移動するものを停止させるのに約0.5メガジュールです。より重い通勤列車は、その5倍から10倍になる可能性があります。そして、低速でも、大型の貨物列車は数百メガジュールに達することがあります。

バンプポストまたはバッファーストッパーとしても知られる線路終端装置の設計がいかに見かけによらず複雑であるかがわかります。オーバーランシナリオで列車を停止させる能力は、列車の質量と速度の両方に依存します。理想的には、列車が線路の終端に近づいている場合、線路速度で移動しているわけではなく、それがほとんどの設計の基礎となっている仮定です。だからこそ、単純なバンプポストが一般的である理由です。それらは列車のドアストップのようなもので、線路の終端でハードストップを提供する静的な装置です。例を示しましょう。

これは私の列車停止シミュレーターです。これは、空気圧ピストンで遊ぶための言い訳のようなものです。一方の端にはそのピストンがあり、レギュレーターを使用してそれが加える力を調整できます。「列車」には、いくつかの重りを付けたVレール上の小さなカートを使用しています。

小さなバンプポストを設置して、何が起こるか見てみましょう。驚くことはありません。低速では、列車はポストに対してうまく停止します。高速で試してみましょう。衝突はもう少し激しくなります。そして、実際にそれを定量化できます。列車の上の加速度計と、背景の波打つグラフが表示されたラップトップに気づいたかもしれません。これは、生の読み取り値から少し平滑化されたデータです。繰り返しになりますが、低速では大したことではありません。停止するのに約5Gしかかかりません。高速では、私の加速度計は16Gを記録しました。

低速オーバーランのみが予想される場所に静的なバンプポストが見られるのは理にかなっています。安価で、シンプルで、メンテナンスもあまり必要ありません。しかし、明らかに、これは大型列車、特に速度が高い状況には適した解決策ではありません。私たちの式を思い出してください。エネルギーはどこへ行くのでしょうか？明らかに、すべてが列車から離れているわけではありません。少なくとも私のデモでは。少し跳ね返っているのがわかります。残りは、衝撃によって発生する熱と音、テーブルと線路への振動、そしてポスト自体のいくつかの塑性変形に入ります。見えにくいですが、高速テストでは少し曲がりました。装置にはエネルギー散逸が組み込まれていません。物理的に壊れるまで抵抗するだけです。

それが許容される状況もいくつかあります。私は、安全が本当に何を意味するのかを議論する時間を取らずに、これに飛び込みました。なぜなら、ターミナル線路の場合、唯一の答えはないからです。オーバーランの結果は大きく異なり、激しい停止の結果も同様です。産業線路や操車場では、線路終端装置は、貨車を線路に戻す手間を省くだけかもしれません。何も非常に速く動いていないので、剛体の停止は、転がり軸受を損傷する可能性は低いです。旅客ターミナルや、線路の向こうに建物や公共スペースがある場所では、その計算は変わります。列車に乗っている人がいる可能性があり、その進路上に人がいる可能性もあります。即座に列車を停止させることと、その停止の激しさを制限することの間の設計上の選択は、完全にケースバイケースの決定です。たとえ一定量のエネルギーを散逸させるとしても、加速度の要件は異なります。したがって、考慮すべきもう1つの単純な方程式があります。

車両の初期速度からの停止距離は、加速度（またはこの場合は減速度）に反比例します。それらはシーソーに乗っています。加速度を制限したい場合、線路終端装置が列車に加える力は、空間の単一の点ではなく、線路に沿ったある程度の距離で発生する必要があります。時には、それが意図的であってもなくても起こります。「テレスコーピング」とは、鉄道車両がお互いに押し潰される、または乗り込む様子を説明するために使われる用語です。言ったように、運動エネルギーはどこかに行かなければなりません。真の緊急事態における貨物列車の場合、ある程度の機器の損傷は許容されるかもしれません。ソーダ缶を使ってそれをシミュレートできます。変形を受け入れることをいとわない場合、加速度が大幅に低下するのがわかります。ただし、それが理想的な構成ではめったにない理由も理解できるでしょう。

最も単純な代替案の1つは、バンプポストをスライドさせることです。そして、それがどのように見えるかを正確に示せます。このブラケットをクランプしているボルトに沿ってスプリングを追加して、デモを修正しました。何が起こるか見てみましょう。今、瞬時のハードストップの代わりに、停止距離があることがわかります。グラフを見ると、ピーク加速度がはるかに低くなっているので、列車にとってははるかに激しくありません。そして、ハードストップとは異なり、列車のエネルギーがどこに散逸しているのかを簡単に確認できます。それはポストと線路の間の摩擦です。

これは、減速を制限することが乗客と機器の保護に重要である場合に、現実世界で一般的な配置です。ポストまたはバッファーストッパーには、レールに沿ってスライドして摩擦によってエネルギーを燃焼させるブレーキシューが装備されています。理論的には、これは列車の質量や速度に依存しない一定レベルの減速度を提供します。摩擦は、クランプ力とブレーキおよびレールの特性の関数にすぎません。しかし、現実世界では、それを正しく行うのは難しいです。デモでは、カートが最初にストップに当たったときに加速度のスパイクが見られます。それは、低い運動摩擦が引き継がれる前に、静止摩擦を克服する必要があるからです。減速度も少し不規則であることがわかります。それは、金属同士の滑りによる、いわゆるスティックスリップ現象です。また、レール上の錆や湿気などの環境要因もあり、力曲線を変える可能性があります。そしてもちろん、一度このようなものが使用されると、リセットするか、衝突の激しさによっては交換する必要があり、それは大きな仕事になる可能性があります。これらの課題に対処する別の解決策があります。

デモの線路終端装置を再び交換しました。今回はダッシュポット・スナバーを使用しています。このシリンダーは、調整可能な穴を通して空気を強制し、滑らかな力曲線を提供します。まず低速で試してみましょう。この状況に適したように硬さを調整しました。次に、高速走行を試してみましょう。はるかにスムーズに見えます。そして、加速度データで見ると、実際そうです。リジッドストップ、スライディングフリクションラン、そしてダッシュポットランをすべて一緒に示します。スライディングフリクションは最も低い加速度を持ちました。これは、最も長い停止距離を使用したため理にかなっています。しかし、ダンパーは、特に列車の速度とサイズの範囲を考慮すると、より制御された一貫した停止を提供します。そして、それは衝撃後に自己リセットします。

だからこそ、このような装置は、制御が最も重要である旅客鉄道で最もよく使用されるのです。通常、それらは油圧シリンダーであり、さまざまな列車の質量と速度にわたって滑らかな減速度を提供するために油を使用します。もちろん、油圧バッファーストッパーを使用しても、距離の問題は解決しません。この種のデバイスは、実際にはより多くのスペースを確保しません。そして実際、極端な加速度なしで高速列車を停止させようとする場合、油圧バッファーで可能なよりもはるかに長い停止距離が必要になることがよくあります。その場合、スライディングフリクションストップが実際に最良の解決策です。デモでは、ダッシュポットを底打ちできることがわかります。その後、それははるかに高価な静的バンプポストになります。油圧はまた、複雑さとメンテナンスの別の層を追加するため、これらは一般的にスライディングフリクションストップよりも高価です。そして実際、それらをハイブリッドシステムに組み合わせることができ、遅い速度の衝撃には油圧を使用します…クランプを締め忘れない限り。もう一度試してみましょう。このセットアップは、両方の世界の最良の部分のようなものです。ダッシュポットの制御が得られ、極端な状況ではスライディングフリクションが追加のエネルギーを散逸させることができます。

複雑さとメンテナンスのスペクトルの反対側には、別の線路終端安全ソリューションがあります。それは土塁、つまり大きな土の山です。土の山の力を決して過小評価しないでください。大きな崖、重要な建物、または線路の終端の向こうにあるその他の重要な状況がある場合、列車が確実に停止することを保証するために、控えめなバンプポストやバッファーに頼りたくない場合があります。単純な土の山は列車を保護するのにあまり役立ちませんが、土の山の後ろにあるものを確実に保護します。そして時には、それが最も重要なことです。

もちろん、これには私が示したデモよりもはるかに多くのことがあります。北米で一般的な自動「ナックル」カプラーとは異なり、多くの鉄道車両はチェーンで連結されています。列車内のスラックを管理するには、車両自体に衝撃吸収が必要であり、これらの装置はバッファーとも呼ばれます。また、線路の終端ではない特定の区間に列車が到達するのを防ぐ必要がある状況もあります。脱線器は、くさび形の金属ブロックを使用して、列車を線路から外させる装置です。これもまた、転がり軸受に損傷を与える可能性が高いですが、安全がそのコストに見合う状況もあります。低速での制御された脱線は、労働者を危険にさらしたり、交通量の多い道路を横断したり、本線で高速旅客列車と衝突したりする暴走車両よりもはるかに優れています。

列車オーバーランには、構造以外の解決策もあります。バッファーと脱線器が「腕力」なら、Positive Train Control（PTC）は「知性」です。これらのシステムは、人間のオペレーターが間違いを犯したり、無力になったりした場合に、列車操作を引き継ぐためにデジタルロジックを使用します。PTCは、GPS、線路脇センサー、および車載コンピューターに依存して、列車の正確な位置、速度、および前方の状況を「知って」います。システムが列車が許可速度を超えていることを検出した場合、PTCは自動的にブレーキをかけます。

大きな重いものを移動させるとき、特にその大きな重い機器に人が乗っているか近くにいる場合、安全システム、その冗長性、そしてエネルギー、加速度、スペースの避けられない物理的なトレードオフには、多大な思考と工学が注ぎ込まれています。油圧ピストンのエレガントで一定の圧力であれ、スライディングストップの生の、グリットと金属の摩擦であれ、バッファーストッパーとバンプポストは、現代の列車の想像を絶するエネルギーに対する最後の防御線です。Positive Train Controlのようなデジタルイノベーションは、これらの装置が決して使用される必要がないことを保証するのに役立ちますが、私たちが鉄道に依存している限り（そして将来的にさらに依存することを願っています）、停止の「単純な」物理学は常に複雑なバランス行為であり続けるでしょう。