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

この文章は、埋め込まれた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約250人の乗客を乗せてホーボーケン駅に到着しましたが、止まりませんでした。列車は線路の終端に到達し、衝突止めを乗り越えて、時速約21マイルでターミナル壁に激突しました。破片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、同様のシナリオがブルックリンのアトランティック・ターミナルで再び発生しました。ロングアイランド鉄道の列車がターミナル線路の終端に衝突しました。先頭車両はコンクリートプラットフォームの上に乗り上げ、そこで停止しました。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（国家運輸安全委員会）は単純な結論に達しました。列車が止まらなかったのは、運転士が眠ってしまったからです。事故後、彼らは睡眠時無呼吸症候群と診断されました。これは、眠気と疲労を引き起こす慢性疾患です。しかし、NTSBは、衝突前に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欠如も指摘しました。 鉄道を想像すると、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、間違いが起こるのに十分なスペースがあります。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いても、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、終端軌道保護は非常にユニークな工学的問題なのです。ホーボーケンとアトランティック・ターミナルの衝突止め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」ために設計されたものではありませんでした。それらは低速状況のために設計された、最後の手段のバックストップでした。列車のブレーキには多くの冗長性があり、故障はまれですが、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、静的な衝突止め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。終端軌道保護は単純な問題のように見えますが、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、ガレージに小さな模型を製作しました。私はグレイディです。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。列車の質量と速度があり、初歩的な方程式があります：1/2 × 質量 × 速度の2乗。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。操車場でゆっくりと移動する空の貨車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100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、ターミナル接近速度で移動するものを停止するには約0.5メガジュールが必要です。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、重貨物列車は、比較的低速でも数百メガジュールに達する可能性があります。これにより、衝突止めまたはバッファーストップとして知られる終端軌道デバイスの設計が、いかに欺瞞的に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接近している場合、線路速度で移動していません。そして、ほとんどの設計はこの仮定に基づいています。だからこそ、単純な衝突止め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、線路の終端に硬い停止を提供する静的なデバイスです。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を適用する力を調整できます。「列車」として、私は重りを付けたVレール上の小さなカートを使用しています。 小さな衝突止めを設置して、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。トップにある加速度計と、背景にある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。これはそのデータで、生の読み取り値から少し平滑化されています。再び、低速では、それは大したことではありません。列車を停止させるのに約5gしかかかりません。高速では、加速度計の最大値である16gに達しました。 低速オーバーランのみが予想される場所に静的な衝突止めが見られるのは理にかなっています。それらは安価で、シンプルで、メンテナンスもあまり必要としません。しかし明らかに、これはより大きな列車、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。すべてのエネルギーはどこへ行くのでしょうか？ 明らかに、少なくとも私のデモでは、すべてが列車から離れているわけではありません。少し跳ね返っているのがわかります。残りは、衝撃によって生成される熱と音、テーブルや線路への振動、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。デバイス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。 それが大丈夫かもしれない状況がいくつかあります。私は、安全が本当に何を意味する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に異なります。産業線路や操車場では、終端軌道デバイスは、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、硬い停止は車両を損傷する可能性は低いです。旅客ターミナルや、線路の先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もいれば、その進路上にいる人もいるかもしれません。列車を瞬時に停止させることと、その停止の激しさを制限すること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。 車両が初期速度から停止するまでの距離は、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、終端軌道デバイスが列車に適用する力は、空間の単一の点ではなく、線路に沿ったある程度の距離にわたって発生する必要があります。それが意図的かどうかにかかわらず、それが起こることがあります。「テレスコーピング」とは、貨車が互いに押し潰されることを指す用語です。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。貨物列車が真の緊急事態に陥った場合、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ことがわかります。ただし、それが理想的な構成ではない理由を理解できるでしょう。 最も単純な代替策の1つは、衝突止め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します。このブラケットを固定するボルトに沿ってスプリングを追加して、デモを少し変更しました。何が起こるか見てみましょう。今では、瞬間的な硬い停止の代わりに、ある程度の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、硬い停止とは異なり、列車のエネルギーがどこに散逸している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。 これは実際の状況で一般的な配置であり、減速度の制限が乗客と機器を保護するために重要です。The