Hat es einen mechanischen Vorteil, wenn der Motor bei einer steilen Eisenbahn hinten drückt, gegenüber einem Motor, der von vorne zieht?

Tolle Frage. Ich bin überrascht, dass ich bei der Suche in Physics SE nicht auf eine Train-Push-vs-Pull-Frage gestoßen bin. Ich versuche eine ausführliche Antwort zu geben.

TLDR; Konzeptionell ist der Zugmotor besser, aber sowohl Schub- als auch Zugzüge sind machbar und existieren im wirklichen Leben. Wenn Sie von einem idealisierten Gedankenexperiment sprechen, gibt es meiner Meinung nach keinen Unterschied.

Lassen Sie uns nun über Einzelheiten sprechen. Ihre Kraftüberlegungen sind insofern zutreffend, als Sie ein Gewicht einen Hügel hinaufziehen und es nicht mehr schieben. Die für die erfahrene Reibung relevante Normal-/Reaktionskraft steht senkrecht zur Druck-/Zugkraft und kann als solche nicht zur Größe der Reibung beitragen. Es spielt jedoch keine Rolle, da Eisenbahnräder fast nie durchrutschen . Natürlich gibt es gelegentlich Schlupf, wenn es um Eis, Fett, organische Stoffe usw. geht, aber Stahl auf Stahl mit hohem Gewicht sorgt für eine beeindruckende Zugkraft. Siehe diese Frage für weitere Details.

Im wirklichen Leben verwenden viele Bahnunternehmen sowohl Push- als auch Pull-Methoden. In einem Wendezug haben Sie vorne und hinten zwei Lokomotiven, die manchmal zusammenarbeiten, manchmal sich abwechseln. Unternehmen ziehen Züge auch in eine Richtung und schieben sie dann zurück, was Kosten spart und den Zug wenden muss. Wenn wir von Nur-Zug- und Nur-Schub-Zügen sprechen, ist das eine andere Geschichte.

Theoretisch, nein , der nach hinten drückende Motor hat keinen mechanischen Vorteil gegenüber dem nach vorne ziehenden Motor. Tatsächlich ist es umgekehrt. Aus vielen Gründen denke ich, dass das Ziehen des Motors den Vorteil hat, wenn auch klein.

1. Einfacher zu sehen

   Zum einen ist es einfacher und sicherer ans Ziel zu kommen, wenn Sie Ihre Sensoren so platzieren, dass Sie die für Ihre Bewegung relevanten Informationen am schnellsten erreichen . Fast immer ist dies der Teil, der am weitesten in Ihrer Bewegungsrichtung liegt (weshalb die meisten Tiere ihre Augen vorne haben). Mit anderen Worten, Sie können sehen, was vor Ihnen liegt, bevor Sie es treffen.

2. Einfacher zu machen

   Zweitens ist ein Zug mit Zugmaschine viel einfacher zu konstruieren und zu bauen. Die meisten Waggons sind durch eine Art "Halteseil" verbunden, das einer Schnur viel näher kommt als einem Stock. Es ist viel einfacher, Verbindungen zu entwerfen und zu bauen, die Fäden sind, die Autos ziehen, als Stöcke, die Autos schieben. Was ich mit Stick meine, ist etwas, das starr ist und einer Verformung widersteht. Was ich mit Schnur meine, ist jedoch etwas, das zieht und biegsam ist. Eine interessante Nebensache, ich habe meinen Professor einmal sagen hören, dass dies eine Art Definition einer Saite in der Physik ist; etwas, das nur ziehen und nicht drücken kann.

   Wie auch immer, im wirklichen Leben machen sich die Waggons nicht gut, wenn sie mit einer Schnur geschoben werden (sogar eine halbstarre Verbindung). Es kommt zu Zusammenbrüchen und Verzerrungen in der Gesamtkette des Zuges, weil die Verbindungen der Kraft, die den Zug schieben soll, nicht standhalten können. Die Tracks helfen, dies bis zu einem gewissen Grad zu mildern, aber es erzeugt unerwünschten Stress.

   

3. Leichter zu lenken/sicherer zu fahren

   Es ist nur sinnvoll, den Zug zu schieben, wenn die Verbindungen starr sind, aber dann wird das Lenken des Zuges mechanisch schwieriger, weil der Zug insgesamt weniger flexibel wird. Die Wahrscheinlichkeit des Entgleisens ist in einem Schubzug auch höher als in einem Zugzug, obwohl mir bewusst ist, dass einige Experten sagen, dass der Unterschied gering genug ist, um ignoriert zu werden, und nicht signifikant ist (insbesondere in Bezug auf Glendale 2005 und Oxnard 2015). Ich denke, das liegt daran, dass sich die Kraftrichtung in Bezug auf die Richtung des Spurwechsels in einem Zugzug früher ändert als in einem Schubzug. Mit anderen Worten, die Zugkraft ändert sich mit der Kurve und die anderen Autos folgen entsprechend, aber die Schubkraft bleibt gerade, da die vorausfahrenden Autos die Kurve in Spuren erfahren.

4. Effizienteres Design

   Sie erhalten auch Ineffizienzen, wenn Sie einen nicht starren Zug schieben, weil all die kleinen Dinge in einem Zug sich verzerren, wann immer und wie sie können. Kräfte und diese Dinge im Allgemeinen neigen dazu, immer den Weg des geringsten Widerstands zu gehen . Ein nicht-starrer Pfad ist per Definition weniger widerstandsfähig als ein starrer Pfad, und wann immer ein nicht-starrer Pfad vorhanden ist und geschoben wird, wird er sich auf eine Weise biegen und knicken, für die er nicht entworfen wurde. Dies führt zu mehr Reibung, Verschleiß, Hitze, Lärm und im Allgemeinen zu mehr Dingen, die berücksichtigt werden müssen. Unten ist nur eine der Möglichkeiten, wie ich mir vorstellen könnte, dass ein Schubzug, der bergauf fährt, schief gehen könnte.

   

   Außerdem hat eine Pull-Engine eine inhärente Überlegenheit gegenüber einer Push-Engine. Versuche dies; Schieben Sie langsam eine Tasse mit dem Finger über den Tisch. Irgendwann wirst du den Becher "verlieren". Es könnte zur Seite rutschen oder von Ihrem Finger beiseite geschoben werden oder sich drehen, um Ihrem Finger auszuweichen. Versuchen Sie nun, dieselbe Tasse mit dem Finger durch den Griff zu ziehen. Du wirst den Pokal nie verlieren. Ich bin mir nicht sicher, wie wichtig das ist, wenn es Spuren gibt, aber ich kann mir vorstellen, dass es sicherlich einen Unterschied gibt.

   Idealistisch in einem Gedankenexperiment denke ich, dass es keinen Unterschied gibt. Sie benötigen jedoch ein exotisches Material, zusammen mit perfekter Steifigkeit, perfekten Zügen mit perfekten Verbindungen, makellosen Gleisen usw.

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Als Antwort auf die aktualisierte Frage haben sowohl die Zug- als auch die Schubmotoren bei einer starren Kupplung Dinge, die dem Drehmoment "Auftrieb" des Zuges widerstehen (Gewicht der Vorderlast im Schubmotor und der hintere Teil, der im Zugmotor in den Boden drückt ). Beachten Sie, dass es relevant ist, ob die Lokomotive Vorderrad-, Hinterrad- oder Allradantrieb hat. Davon abgesehen behaupte ich immer noch, dass die Zugmaschine überlegen ist, weil es hier im Wesentlichen darum geht, dass der Zug einen Power Wheelie macht. Der beste Weg, um Wheelies zu vermeiden, besteht nicht darin, mehr Gewicht auf die Vorderseite des Fahrzeugs zu verlagern, sondern durch Hinzufügen einer Wheelie-Stange.

Das Bild in HsMjstyMstdns Antwort gab mir einen Gedanken (obwohl ich glaube, dass das Bild nicht zeigen wollte ...):

Wenn eine Lokomotive einen schweren Zug einen Hang hinaufschiebt, muss sie mit den Antriebsrädern viel Drehmoment erzeugen.

Wenn Sie jetzt ziehen, kann das Aufbringen eines großen Drehmoments dazu führen, dass sich die Vorderseite Ihrer Lokomotive anhebt (denken Sie an Drag-Racing-Autos). Aber wenn Sie schieben, wird die Vorderseite der Lokomotive tatsächlich durch das Gewicht des Wagens, den sie schiebt, nach unten gehalten.

Ich denke, das ist Grund genug, mindestens einen Waggon vor die Lokomotive zu stellen - aber da es unpraktisch wäre, die Lokomotive mitten im Zug zu haben, ist es sinnvoll, sie an der Talposition zu platzieren.