5.รางรถไฟ

รูปรางรถไฟความเร็วสูง

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

            รางรถไฟความเร็วสูงประเภทอีเอ็มเอส จะมีขดลวดคอยล์วางอยู่ตลอดความยาวของรางรถไฟ และมีแม่เหล็กขนาดใหญ่วางอยู่ใต้ท้องรถไฟ ขณะที่รถไฟวิ่งอยู่นั้น รถไฟความเร็วสูงจะลอยอยู่เหนือรางรถไฟ ระยะห่างการลอยตัว 1 เซนติเมตร ถึง 10 เซนติเมตร ทันทีที่รถไฟลอยตัว

รูปรางรถไฟที่มีขดลวดเหนี่ยวนำ

รูปขดลวดรางรถไฟ

      กำลังงานของการลอยตัว จะได้มาจากสนามแม่เหล็ก ถูกสร้างมาจากขดลวดคอยล์ที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตลอดความยาวของรางทำให้รถไฟจะมีแรงดึง และแรงผลักที่ตัวรถไฟ

วิดีโอทดลองรางเหนี่ยวนำ

      กระแสไฟฟ้าที่จ่ายเข้ามาเข้าสู่คอยล์ตรงผนังราง มีการสลับเปลี่ยนแปลงขั้วของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าตลอด ที่มีการเปลี่ยนขั้วเพราะว่าสนามแม่เหล็กที่วางอยู่ตรงด้านหน้าของรถไฟที่จะดึงขบวนรถให้เคลื่อนที่ไปข้างหน้า ขณะที่สนามแม่เหล็กด้านหลังรถไฟก็จะทำหน้าที่คอยเสริมผลักดันให้รถไฟไปด้านหน้าด้วย

รูปรางรถไฟความเร็วสูง

      รางเหนี่ยวนำ (Inductrack) ในประเภทของอีดีเอส ที่ใช้แม่เหล็กถาวรที่อุณหภูมิห้อง ที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็ก แทนที่กำลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า หรือความเย็นที่ทำให้เกิด แม่เหล็กไฟฟ้าตัวนำยิ่งยวด

รูปผนังรางรถไฟอีดีเอส

รางเหนี่ยวนำใช้แหล่งกำเนิดกำลัง เพื่อให้รถไฟมีความเร่งภายหลังจากการลอยตัวขึ้น ถ้ามีความผิดพลาดในการจ่ายกำลัง รถไฟจะทำงานแล่นช้าลงอย่างช้า ๆ และหยุด รถก็ไม่ลอยตัวแต่จะมีล้อมารองรับทั้งขบวน

            รางที่ใช้จริง จะมีการจัดเรียงของวงจรสายไฟฟ้า เป็นสายไฟที่หุ้มฉนวน ซึ่งเป็นหนึ่งในการออกแบบ วงจรนี้ทำงานได้ถูกต้องเป็นลำดับไป ขณะที่รถไฟเคลื่อนที่ แม่เหล็กไฟฟ้าสร้างสนามแม่เหล็กให้ยกขบวนรถไฟขึ้นได้

การออกแบบรางเหนี่ยวนำ จะมีรางเหนี่ยวนำปฐมภูมิ และรางเหนี่ยวนำทุติยภูมิ รางเหนี่ยวนำปฐมภูมิออกแบบไว้เพื่อเวลาวิ่งด้วยความเร็วสูง ขณะที่รางเหนี่ยวนำทุติยภูมิใช้เพื่อเวลาวิ่งความเร็วต่ำ ขบวนรถไฟที่ถูกยกขึ้นเหนือรางเหนี่ยวนำนั้นต้องสามารถยกได้สูง และมีความเสถียรภาพในการลอยตัวให้มากที่สุด

รูปการจัดเรียงสนามแม่เหล็กที่นำมาใช้ในรถไฟความเร็วสูง

เหตุที่ไม่นำแม่เหล็กถาวรเพียงอย่างเดียวมาใช้ในรางรถไฟความเร็วสูง ก็เนื่องจากแรงของแม่เหล็กถาวรนั้นมีแรงไม่เพียงพอในการยกตัวของขบวนรถ

รางเหนี่ยวนำออกแบบให้มีการจัดเรียงสนามแม่เหล็ก (Halbach array) ที่ดีเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงที่สุดในการทำงาน

รูปการจัดเรียงสนามแม่เหล็ก

รูปแบบของคลื่นแม่เหล็กที่ปล่อยออกมา

วิดีโอการทดลองการจัดเรียงสนามแม่เหล็ก

แม่เหล็กรอบ ๆ ตัวจะมีความเข้มข้นของสนามแม่เหล็ก อยู่ข้างใต้ของขบวนรถไฟหัวกระสุน ตัวรางเหนี่ยวนำทำมาจากวัสดุผสมสมัยใหม่ คือ โลหะผสมนีโอไดเมียม-ไอรอน-โบรอน (Neodymium-iron (Ferro)-Boron alloy; NdFeB)

รูปตัวอย่างวัสดุโลหะผสมนีโอไดเมียม-ไอรอน-โบรอน

ซึ่งจะผลิตสนามแม่เหล็กความเข้มข้นสูงออกมา การออกแบบรางเหนี่ยวนำทุติยภูมิ จะมีระบบการจัดเรียงสนามแม่เหล็ก อยู่สองส่วนเพื่อให้มีการสร้างสนามแม่เหล็กที่เข้มข้นเพื่อใช้ในการวิ่งที่ความเร็วต่ำ

รูปผังส่วนประกอบรถไฟความเร็วสูง

รูปภาคตัดของราง

วิดีโอทดลองรางเหนี่ยวนำ

      การแก้ปัญหาในเทคโนโลยีขั้นสูงของรถไฟที่ลอยตัวด้วยแรงแม่เหล็กลอยตัว หรือพลังแม่เหล็ก นี้จะใช้งานร่วมกันของ แม่เหล็กถาวร (Permanent magnets) และแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) เพื่อสร้างแรงผลักดันที่เพียงพอในการยกรถไฟทั้งขบวนขึ้นจากรางรองรับ

      แต่ในขณะอยู่กับที่ ตัวรถไฟไม่ได้ลอยขึ้นมา มันจะลอยก็ต่อเมื่อเริ่มเคลื่อนที่ ก่อนที่จะลอยยกขึ้นทั้งขบวน ล้อรถไฟยังติดรางอยู่ แรงแม่เหล็กจะเพิ่มขึ้นจนกระทั้งไม่มีส่วนใดของรถไฟสัมผัสกับราง

รูปมอเตอร์ช่วยในการขับเคลื่อน

      รถไฟถูกช่วยขับเคลื่อนในเบื้องต้นด้วย มอเตอร์เชิงเส้น (Linear motor) ต่อจากนั้นระบบก็สร้างแรงไปยังราง และผลักดันให้รถไฟเคลื่อนที่

      รถไฟหัวกระสุนจะลอยตัวเหนือราง ข้อดีที่สำคัญก็คือ ทำให้แรงเสียดทานมีค่าน้อยมาก ๆ ไม่เกิด แรงเสียดทานการหมุนกลิ้ง (Rolling friction) ในการเคลื่อนที่ จนเหมือนกับการเคลื่อนที่นั้น เคลื่อนที่แบบไร้แรงเสียดทานเลยทีเดียว ซึ่งจะมีเพียงแรงต้านทานของอากาศ และแรงฉุดของแม่เหล็กไฟฟ้าเท่านั้น (น้อยมากเมื่อเทียบกับแรงที่ใช้ผลักดัน) ที่กระทำต่อรถไฟ เพราะเหตุนี้ ที่ความเร็วต่ำพลังแม่เหล็กมีการทำงานเกือบจะเงียบ จนแทบไม่รู้สึกว่ากำลังเคลื่อนที่อยู่

วิดีโอรถไฟความเร็วสูงที่ญี่ปุ่น

      อีกทั้งยังมีการออกแบบรูปทรงรถไฟให้มีหลักการทาง อากาศพลศาสตร์ (Aerodynamic) ที่ดีทำให้ความเร็วรถไฟนั้นมีความเร็วสูงมาก สามารถสร้างความเร็วได้มากกว่า 500 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เมื่อทำการเปรียบเทียบกับเครื่องบินพาณิชย์ ที่ระยะทางบินไกล มีความเร็วประมาณ 1,000 กิโลเมตรต่อชั่วโมง

รูปทรงรถไฟที่ถูกออกแบบให้มีหลักอากาศพลศาสตร์

      ประเทศเยอรมนี และญี่ปุ่นเป็นผู้พัฒนา เป็นผู้ริเริ่มเทคโนโลยีรถไฟหัวกระสุน เป็นต้นแบบให้กับรถไฟความเร็วสูงหลายประเทศ ถึงแม้ว่าจะมีพื้นฐานแนวคิดที่เหมือนกัน แต่ทั้งระบบของเยอรมัน และระบบของญี่ปุ่น ก็ยังมีความแตกต่างกันอยู่ดังที่ได้อธิบายก่อนหน้านี้

รูปผังรถไฟความเร็วสูงของประเทศเยอรมนี

      ในเยอรมนีนั้นวิศวกรได้พัฒนา ระบบรองรับการเคลื่อนที่ไฟฟ้า เรียกว่า ขนส่งเร็ว (Transrapid) ในระบบนี้ ทางรถไฟด้านล่างทำจากเหล็กกล้า แม่เหล็กไฟฟ้าที่ติดอยู่กับส่วนล่างของรถไฟที่ทำให้รถเคลื่อนไปบนราง ซึ่งยกตัวรถไฟขึ้นประมาณ 1 เซนติเมตร เหนือราง และรักษาระดับการลอยตัวนั้นไว้ถึงแม้ว่ารถไฟยังไม่เคลื่อนที่ก็ตาม แม่เหล็กถูกฝังลงไปในตัวรถไฟ เพื่อรักษาความเสถียรภาพระหว่างการเคลื่อนที่

วิดีโอการทดลองรางแม่เหล็กในห้องปฏิบัติการ

      พลังแม่เหล็กก็มีการใช้งานในจีน, ญี่ปุ่น และเยอรมัน ซึ่งมีการสร้างด้วยราคาที่แพง เพราะจะแพงมากที่ราง ซึ่งมันมีความแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงกับรางรถไฟธรรมดา

วิดีโอแสดงการทำงานของราง

      การนำพลังงานไฟฟ้ามาใช้กับรถไฟความเร็วสูง จะไม่สร้างมลภาวะที่เป็นพิษออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ เหมือนรถไฟที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งเป็นผลดีต่อสภาพแวดล้อมเป็นอย่างยิ่ง เพราะมันใช้การทำงานทั้งหมดด้วยไฟฟ้าล้วน ๆ ซึ่งในอนาคตอาจมีการใช้พลังงานทดแทนมาใช้กับรถไฟด้วยก็ได้ 

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ถ้าคุณรู้สึกว่า “เหนื่อย”

นั่นแสดงว่าคุณ

ยัง “สู้” อยู่”