بررسی روسازی های بتنی در حمل و نقل ریلی با نگاهی به متروی تبریز
لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:485
حجم فایل:27.8mb
فهرست مطالب :
فصل اول: (تعریف مساله)
1-1تعریف کلی مساله.................................. 13
1-2 نیاز به مطا لعه در مورد مساله................... 15
1-3 اثرات مهم مطالعه بر مساله از نظر بهبود آن...... 16
1-4 اهداف و فرضیات.................................. 18
1-5دامنه اثر مساله در جامعه علمی و اجتماع........... 18
1-6 محدودیت هاوچهار چوب پروزه..................... 19
1-7 مقدمه و تاریخچه................................. 21
فصل دوم: (کاووش در متون)
2-1طبقه بندی و مقدمه و اظهار بکر بودن متون.......... 26
2-2 بررسی مقالات..................................... 34
2-3 بررسی تزها و پایان نامه ها...................... 41
2 -4 بررسی کتابها.................................. 140
فصل سوم: (روش تحقیق)
3-1- روش بکار گرفته شده و دلایل آن.................. 141
3-2 دستورالعمل جمع آوری اطلاعات و روشهای بکار رفته 148
3- 3 تعاریف ، اختصارات و نشانه های ریاضی........... 150
3- 4منطق سیستم تصمیم‌گیری........................... 152
3-4-1پنج گام اساسی تا تصمیم‌گیری نهایی.............. 152
3- 5 ارائه مباحث ضروری علمی........................ 154
3-6 سابقه و رژیم ترافیکی........................... 154
3- 8 معیارهای محدود کننده فنی...................... 155
3- 9معیارهای آزمایش و کنترل....................... 155
3-10 مطالعات و تحلیل‌های تکمیلی..................... 156
3- 11تحکیم بستر علمی قضیه و بکارگیری سیستماتیک آن. 156
3- 12 معیارهای ارزیابی مقایسه و مدل انتخاب نوع سیستم روسازی 157
3-12-1معیارهای ارزیابی و مقایسه.................... 157
3-13انواع خطوط با دال بتنی......................... 160
3-14 مدل ارزیابی.................................. 161
3- 15لایه داخلی مدل ، ابزار تحلیل هزینه طول عمر روسازی 161
3- 16لایه میانی : تاثیرات بالقوه اعمالی از مسیر.... 166
فصل چهارم: (گردآوری اطلاعات)
4معرفی خطوط با دال بتنی........................... 170
4-1معرفی........................................... 170
4-2خطوط بابالاست دربرابرخط بادال.................... 171
4-1-1خط با بالاست................................... 172
4-1-2خط با دال..................................... 172
4-2طراحی روسازیهای دارای خط بدون بالاست............. 174
4-3بلاکها یا تراورسهایی مدفون در بتن................ 176
4-4طراحی های روسازیهای خطوط با دال................. 179
4-5توسعه کیفیت یکپارچگی سیستم...................... 181
4-6خط زوبلین....................................... 190
4-7خط با بستر بتن آسفالتی.......................... 194
4-8دالهای پیش ساخته................................ 197
4-9-1خط با دال شینکانسن............................ 198
- خط با دال بوگل 205
4-10دالهای یکپارچه و ابنیه فنی..................... 207
4-11ریل مدفون...................................... 210
4-11-1خصوصیات ریل مدفون............................ 210
4-11-2ساخت خط ریل مدفون............................ 211
4-11-3تجربیات اجرایی ریل مدفون..................... 215
4-11-4خط عرشه‌ای.................................... 217
4-13سازه های ریل با تکیه گاه پیوسته و مهار شده..... 225
4-12-1خط کوکن...................................... 225
4-12-2ریل قاشقی با تکیه گاه پیوسته................. 229
4-12-3 ریلهای مهار شده در جان...................... 230
4-13 EPS به عنوان مصالح بستر در سازه خط با دال راه آهن 233
4-13-1معرفی........................................ 233
4-13-2سازه های خط با دال بتنی با زیر اساس EPS...... 234
4-13-3عملکرد استاتیکی.............................. 235
4-13-4ایفای نقش دینامیکی........................... 236
4-13-5کاربردها..................................... 238
4-14خاصیت ارتجاعی خط............................... 239
4-15مقتضیات سیستم.................................. 240
4-15-1مقتضیات زیرسازی.............................. 241
4-16-2مقتضیات خط با دال بتنی در تونلها............. 245
4-16-3مقتضیات خط با دال بتنی روی پلها.............. 246
4-17تجربیات عمومی با سیستمهای خط با دال............ 249
4-18نتیجه‌گیری و پیشنهادات.......................... 252
4-19 المانهای تشکیل‌دهنده خطوط با دال بتنی.......... 252
4-20ریل............................................ 255
4-21پابند.......................................... 256
4-22تراورس......................................... 256
4-23تکنیک های ساخت ، تولید......................... 258
4-24انواع ساخت..................................... 259
4-25نقاط تکیه گاهی مجزا ریل با تراورس ها........... 260
4-25-1روش ساخت مدفون............................... 261
4-25-2روش ساخت رهدا................................ 261
4-25-3روش ساخت رهدا در خاک ریزی و خاک برداری ها... 262
4-25-4روش ساخت رهدا در تونل ها.................... 263
4-25-5روش ساخت BERLIN 265
4-25-6روش ساخت HEITKAMP........................... 261
4-25-7روش ساخت SBV................................. 269
4-25-8روش ساخت ZÜBLIN. 269
4-27ساخت تراورس های غیر مدفون...................... 271
4-27-1روش ساخت SATO. 272
4-27-2نوع ساخت FFBS-ATS-SATO....................... 276
4-27-3نوع ساخت ATD................................ 276
4-27-4روش ساخت BTD................................ 278
4-27-5روش ساخت . WALTER........................... 279
4-27-6روش ساخت GETRAC............................. 280
4-27-7نقاط تکیه گاهی گسسته ریل بدون تراورس ها...... 282
4-28انواع ساخت سازه خط یکپارچه..................... 282
4-28-1روش ساخت GRASS TRACK........................ 283
4-28-2روش ساخت HOCHTIEF / SCHRECK - MIEVES / LONGO.. 284
4-28-3روش ساخت FFC................................. 285
4-28-4روش ساخت BES................................. 286
4-28-5روش ساخت BTE................................. 287
4-29انواع ساخت پیش ساخته........................... 288
4-30تکیه گاه ریل پیوسته............................ 289
4-30-1روش ساخت INFUNDO............................ 289
4-31خطوط با پابند های گیره ای...................... 291
4-31-1روش ساخت SFF................................ 291
4-31-2روش ساخت SAARGUMMI........................ 292
4-32پیشرفت های دیگر................................ 292
4-33خطوط دارای تراورسهای قابی...................... 293
4-34خطوط نردبانی................................... 297
4-35نتیجه.......................................... 298
فصل پنجم: (نتیجه گیری)
5-1-تحلیل اطلاعات................................... 302
5-2- سیستم های قطار سبک (LRT)...................... 302
5-3- مترو.......................................... 303
5-4محیط زیست و حفظ آن در حمل و نقل شهری............ 304
5-5- ویژگی های خطوط قطار شهری...................... 306
5-5-1- ایمنی کامل.................................. 307
5-5-2- حداقل تعمیرات............................... 307
5-5-3- زیبائی و پاکیزگی بستر خط و سهولت نظافت...... 307
5-5-4- حداقل لرزش و سر و صدا 308
5-6- شرائط محیطی شهرستان تبریز..................... 308
5-7پارامترهای مهم طراحی خطوط قطار شهری ............ 309
5-7-1 عرض خطوط .................................... 309
5-7-2 حداقل شعاع قوس افقی ......................... 310
5-7-3 قوسهای قائم Vertical curve ....................... 310
5-7-4 حداکثر شیب و فراز Max gradient................. 310
5-7-5 فواصل محوری خطوط Centre to centre track............. 310
5-7-6 دور خطوط Superelevation......................... 311
5-7-7 سرعت......................................... 311
5-7-8 بار محوری Axle load............................ 312
5-7-9 شیب عرضی ریلها............................... 313
5-7-10 مشخصات ابعادی سکوها......................... 313
5-7-10-1- طول سکوها................................ 313
5-7-10-2- ارتفاع سکوها............................. 313
5-7-10-4-عرض سکوها................................. 314
5-11- اندازه قواره خطوط............................ 314
5-11-1- اندازه قواره خطوط در مسیر روباز Clearance gauge open 314
5-11-2- اندازه قواره خطوط در مسیر تونل Clearance Gauge in Tonnel 315
5-12انواع تیپ خطوط قطار شهری....................... 315
5-12-1- خطوط شهری همسطح AT GRADE TRAK............. 315
5-12-2- خطوط شهری زیرزمینی( مترو ) UNDER GROUND 316
5-12-3 خطوط شهری در ارتفاع ELEVATED TRACK........ 316
5-12-4 خطوط با ترافیک مختلط MIXED TRAFFIC.......... 317
5-12-5خطوط مستقل INDEPENDENT..................... 317
5-12-6- گزینه پیشنهادی خطوط قطار شهری تبریز........ 318
5-13ساختمان خطوط قطار شهری......................... 319
5-13-3- نقش روسازی خطوط............................ 320
5-13-4- شرح خطوط با بستر بالاستی Ballasted Track........ 321
5-13-5- شرح خطوط با بستر مختلط بالاستی و بتنی....... 321
5-13-6- شرح خطوط با بستر بتنی SLAB-TRACK.......... 321
5-13-7- تیپ های مختلف روسازی خطوط.................. 322
5-13-7-1- خطوط با پانل های نردبانی روی بستر تراکم یافته زیرسازی................................................... 322
5-13-7-2- خطوط با تراورس چوبی روی بستر بالاستی...... 323
5-13-7-3- خطوط با تراورس بتنی روی بستر بالاستی...... 324
5-13-7-4- خطوط با بستر بتنی........................ 326
5-14- ریل.......................................... 326
5-15- تراورس....................................... 332
5-15-1- تراورس چوبی................................ 333
5-15-2- تراورس فلزی................................ 334
5-15-3- تراورس بتنی................................ 335
5-16-سیستم اتصال ریل به تراورس (پابند ریل )........ 336
5-16-1پابند صلب.................................... 337
5-16-2- پابند ارتجاعی.............................. 338
5-17- اتصال ریل ها................................. 340
5-18-جوشکاری ریلها................................. 341
5-19- میراکننده ها................................. 345
5-20- جذب انرژی ارتعاشی و صدا در خطوط بالاستی....... 351
5- 21 سوزنها و نقش آنها............................ 353
5-22مقایسه فنی و اقتصادی خطوط با بستر بتنی و بالاستی 355
5-22-1- مزایا و معایب خطوط با بسترهای بتنی......... 357
5-22-2- مقایسه اقتصادی بسترهای بتنی و بالاستی....... 359
5-23- استانداردهای حمل و نقل ریلی بین شهری......... 365
5-25- حداکثر سرعت.................................. 368
5-26- محاسبه مقطع ریل بر اساس بار محوری............ 369
.5-27- حجم ترافیک سالیانه (تناژ بار و مسافر سالیانه ) 370
5-28-هزینه تهیه و تدارک ریل برای هر کیلومتر خط..... 376
5-29تعریف و نقش تراورس در خط....................... 377
5-30- فواصل تراورس ها.............................. 387
نتیجه گیری......................................... 392
معرفی موضوع به منظور تحقیقات بعدی.................. 393
منابع و ماخذ....................................... 394
چکیده :
بدون شک امروزه با توجه به افزایش روز افزون سفر های درون وبرون شهری رویکرد جوامع مختلف به سمت سیستم های حمل ونقل عمومی می باشد یکی از بهترین و ایمن ترین مد های حمل و نقل استفاده از سیستم های ریلی می باشد. در سیستم های ریلی به منظور افزایش جاذبه واقبال مردم به این سیستم بایستی اسایش ایمنی سرعت و حرکت ارام وایمن مد نظر قرار گیرد.
با توجه به عوامل فوق الذ کرو افزایش سرعت بهره برداری در سیستم های حمل و نقل ریلی به تدریج استفاده از روش های گذشته و بویزه در روسازی در حال رنگ باختن و شاهد ظهور روشها و شیوه های نو در روسازی می باشیم.
هنوز هم عامل تعیین کننده در استفاده از این سیستم ها مسایل اقتصادی می باشد
پر واضح است تحلیل اقتصادی صحیح این سیستم ها در گرو اشنائی کامل با این سیستم ها می باشد دراین پایان نامه سعی بر انست که جدیدترین و مدرن ترین سیستم های روسازی بتنی در جهان شناسائی شده و همچنین نسبت به تحلیل اقتصادی رو سازی های بتنی در مقایسه با رو سازی های بالاستی با توجه به شرایط بومی اقدام گردد. همچنین به عنوان مورد مطالعه روسازی قطار شهری تبریز مورد مطالعه قرار گرفته است . از دید مهندسی محض ، هر دو سیستم خط بالاستی و خط با دال بتنی به طور تقریبی قادر به برآورده‌سازی و ارضای تمامی نیازها و خواسته‌های کاربران در تمام حالات هستند. تنها در موارد بسیار حدی و خاص یکی از دو سیستم روسازی خط قابل حذف هستند. عموما معیار تجاری و اقتصادی قضیه به عنوان معیار تعیین‌کننده مطرح می‌شود. در بسیاری از موارد که هزینه طول عمر روسازی راه‌آهن مد نظر قرار می‌گیرد
اگرچه بیشتر خطهای راه آهن موجود بیشتر از سیستم سنتی خط با بالاست استفاده میکنند، اقدامات اخیر میل هرچه بیشتر به سوی خطوط بدون بالاست دارد . مزایای اصلی خط با دال عبارتند از : نگهداری کمتر، آماده به کاری بیشتر، ارتفاع کمتر سازه و وزن کمتر. علاوه بر آن، مطالعات بر روی سیکل عمر نشان داده اند دیدگاه ارتفاع خطوط با دال میتوانند بسیار قابل قبول و مناسب باشند.
تجربیات در بهره برداری از خطوط سریع السیر نشان دادند که خطوط با بالاست نسبت به نگهداری حساس تر هستند. در موارد خاص به دلیل پرتاب شدن بالاست در سرعتهای بالا، آسیبهای جدی میتواند به چرخ و ریل وارد آید. این امر در خطوط با دال وجود نخواهد داشت.
بخشهای ساخته شده خط با دال بتنی ، نیاز به نگهداری اندکی از خود به نمایش گذاشتند. کیفیت سیر بیشتر برای مسافران به همراه آماده‌بکاری خط ، از مزایای خط با دال بتنی محسوب می‌شود.
اگر پایداری خط به کمک یک دال صلب فراهم گردد، مقدار نگهداری بسیار پائین می آید و گاهی نیز صفر نزدیک می گردد. اگرچه تجربیات کلی در رابطه با نگهداری خط بتنی ، بسیار ارضا کننده هستند
، خطوط با دال بتنی دارای مزایای دیگری بر خطوط بالاستی هستند. در برخی از این مزایا فهرست‌وار بیان شده‌اند:
- هزینه سرمایه‌گذاری اولیه با در نظر‌گیری تاثیر آنها در طرح هندسی مسیر و ابنیه فنی ،
- بارهای کوچکتر دینامیکی یا استاتیکی اعمالی به بستر خاکی ناشی از خاصیت پخش بار بتن و آسفالت ،
- افزایش دوره سرویس[1] خط به دو یا سه برابر خطوط بالاستی ،
- ایمنی بالاتر بهره‌برداری از خط به علت مقاومت بیشتر جانبی و عرضی خط،
- کاهش فرسایش آلات ناقله ناشی از کیفیت مناسب و بادوام سازه خط ،
- استفاده آسان از ترمزهای Eddy-Current به عنوان روش ترمز‌گیری عادی و با تبع آن صرف‌جویی هزینه قابل ملاحظه ،
افزایش آماده‌بکاری و کاهش احتمال بالقوه تصادفات در اثر تداخل کمتر عملیات نگهداری
با توجه به مقایسه ارقام هزینه کل طرح در طول عمر دوره پنجاه ساله علیرغم آنکه هزینه اولیه احداث بسترهای بتنی 10درصد بیشتر از بسترهای بالاستی می باشد لیکن در دراز مدت و در طول عمر پروژه هزینه طرح در بسترهای بتنی بسیار مقرون به صرفه و اقتصادی می باشد به صورتی که هزینه بسترهای بالاستی تقریباً در حدود 18 برابر هزینه بسترهای بتنی می باشد
با توجه به گسترش روز افزون حمل و نقل ریلی در سطح کشور و تغییر جهت به سمت سیستم های حمل و نقل عمومی و بویژه سیستم های حمل و نقل ریلی و به صورت ویژه حمل و نقل ریلی درون شهری بررسی و جایگزینی سیستم های روسازی بالاستی با سیتمهای جدیدتر و کاراآتر غیر قابل اجتناب می باشد با توجه به رویکرد دولت مبنی بر ساخت و افتتاح حداقل چهارصد کیلومتر شبکه حمل و نقل ریلی داخل شهری و همچنین سیستم های سرسیع السیر ریلی برون شهری ضرورت مطالعه و ترویج روسازی های بتنی در حمل و نقل ریلی اجتناب ناپذیر می باشد با توجه به نوپاوجوان بودن روسازی در حمل و نقل ریلی در جوامع علمی و بویژه در کشور ایران به نوعی خلاء و فقدان اطلاعات علمی و مدرن درباره این موضوع کاملاً مشهود می باشد. با توجه به سابقه طولانی مدت روسازی بالاستی در سیستم راه آهن کشور و همچنین عدم اطلاع کافی و در دسترس نبودن اسناد و مستندات علمی درباره روسازی بتنی باعث عدم استفاده گسترده از این سیستم در سطح کشور گردیده است نگارنده تلاش نموده با توجه به رویکرد فوق الذکر و احساس فقر شدید علمی در این زمینه نسبت به کاوش و تحقیق در این مورد بمنظور استقبال بیشتر از این نوع روسازی قدم بردارد. امید است این پایان نامه موفق به گشایش و باز نمودن گوشه ای از مشکلات این صنعت عظیم گردد. اهمیت استفاده از روسازی های بتنی هنگامی مشهود می گردد که مواد زیر مورد توجه قرار گیرد و 1- پایداری و استحکام فوق العاده خط در برابر نیروی استاتیکی و دینامیکی وارده از طرف قطار 2- هزینه های تعمیر و نگهداری بسیار پائین در مقایسه با روسازی بالاستی 3- عدم انحرااف روسازی های بتنی از شرایط ابده آل بهره برداری در مقایسه با روسازی های بالاستی و بسیاری از مزایای دیگر که در طول پایان نامه بدان اشاره خواهد شد البته پاره ای از معایب نیز بدین سیستم وارد می باشد که به موقع بیان خواهد گردید. در حدود 30 سال پیش مهندسان راه‌آهن اروپا در کشورهایی با راه‌آهن پیشرفته اقدام به بررسی سیستم واگن‌ها و خطوط راه‌آهن برای حرکت قطارها با سرعت بالاتر از 200 km/h نمودند.
تمرکز اصلی آنها بر این موضوع بود که آیا امکان تعمیر و نگهداری خطوط با بالاست به اندازه کافی قبل از اینکه توسط اثرات شدید عملکرد قطارهای سریع‌السیر سست شوند وجود دارد یا نه ؟ در همان زمان ژاپن تصمیم گرفت از خطوط با بالاست بر پایه تئوری جدید ( بهینه سازی خطوط با بالاست با توجه به نیازهای تعمیرات و نگهداری) استفاده نماید. متصدیان راه‌آهن فرانسه و آلمان نقطه نظرات متفاوتی در این زمینه داشتند. در فرانسه تصور می‌شد که بهره‌برداری در سرعت بالاتر از 200 km/h روی خطوط با بالاست نیز امکان پذیر است ، ولی آلمانی‌ها بر این عقیده بودند که اگر چه خطوط با بالاست تا سرعت 200km/h را جواب میدهد ولی برای سرعتهای بالاتر از آن باید از خطوط با دال بتنی استفاده شود .
در سال1988 ، ICE آلمان به سرعت 407 km/h دست یافت و در 1990 ، TGV فرانسه به رکورد 515km/h دست یافت . هر دو رکورد برروی خطوط با بالاست بود . ضمنا در ژاپن بالاترین سرعت در آن زمان 425km/h بود که در سال 1993 روی خطوط با دال بتنی به دست آمده بود. سیستم رهدا 2000 برای اولین بار در July 2000 به عنوان قسمتی از خط سریع السیر بن Leipzig و Halle بکار رفت .
روسازه سیستم رهدا 2000نیازمند به یک بستر بدون نشست می باشد چرا که میله های تقویتی آن که در مرکز دال بتنی قرار داده شده اند بیشتر به منظور مرتب کرده و منظم کردن برخی ترکها و انتقال نیروی جانی ایفای نقش می کند که تابه منظور ایجاد یک دال سخت (مقاوم در برای خمش)
در ژاپن تجربیات تلخ خط 516 کیلومتری توکایدو[2] که در سال 1964 افتتاح گردید این خط در ابتدا دارای خط بالاستی بود و مشکلات عدیده‌این سیستم منجر به ابداع و توسعه خط با دالهای پیش ساخته گشت.
خط شینکانسن ژاپنی ها یک خط با دال بتنی است که از یک لایه زیرین تثبیت شده با سیمان (بستر بتنی) تشکیل شده است. میله‌های استوانه‌ای بتنی[3] برای جلوگیری از حـرکت طـولی و عـرضی ، و بتن های مسلح پیش تنیده با ابعاد 19/0*34/2*93/4 (متر) در خطوط عادی و با ضخامت تنها 16/0 متر در تونلها
راه‌ها به منزله‌ی رگ‌های حیاتی یک کشور می‌باشند و تپش منظم قلب یک سرزمین در اثر عبور بدون وقفه خون در شریان‌های آن است. فقط زمانی یک کشور به پویایی و تکامل می‌رسد که انسان، کالا و مواد تولیدی منظم و تحت برنامه‌ای صحیح جابجا شوند. یک سیستم حمل و نقل کارآ به‌عنوان یکی از مهم‌ترین پیش‌نیازهای اساسی توسعه همه‌جانبه شناخته شده است. و به همین منظور منابع مالی و انسانی قابل توجهی برای ساخت و ارتقای شبکه‌ی حمل و نقل اختصاص می‌یابد. شبکه‌ی ریلی به دلیل امتیازهایی مانند سرعت، نظم درساعات رفت و آمد، حجم بالای جابجایی مسافر و کالا، راحتی و ایمنی از سوی برنامه‌ریزان و مدیریت کلان کشورها مورد توجه ویژه قرار دارد. به منظور ارتقاء کیفیت خطوط راه‌آهن در سال‌های اخیر استفاده از مسیر دالی شکل (Slab Track) در روسازی راه‌آهن به دلایل زیر گسترش فراوانی یافته است:
1) ارتقاء ایمنی در مسیر حرکت قطارها
2) کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری
3) افزایش سرعت قطار
4) کاهش آلودگی صوتی
5) از بین بردن خط پرتاب مصالح بالاست.
روسازی بدن بالاست به دو روش پیش‌ساخته و در جا اجراء می‌شوند. با توجه به بررسی نتایج هزینه‌های مربوط به احداث خطوط راه‌آهن با شیوه فاقد بالاست و خطی که بر بالاست احداث می‌شود، انجام شده است. به این نتیجه می‌رسیم که شیوه بدون بالاست اقتصادی‌تر می‌باشد. بنابراین منطقی است که با استفاده از تکنولوژی اجرای سیستم بدون بالاست هم هزینه عملیات اجرایی را کاهش دهیم و هم از مزایای ذکر شده در بالا بهره‌مند گردیم.
ابتدا به کلیاتی راجع به تاریخچه‌ای از راه‌آهن و سپس به روش سنتی استفاده از بالاست در روسازی راه آهن پرداخته می‌شود و سپس چند روش رایج در روسازی بدون بالاست مورد بررسی قرار می‌گیرد و در پایان مقایسه‌ای بین این روشها انجام خواهد گرفت.
از ابتدای فعالیت‌های بشری تا به امروز، حمل و نقل ایمن و سریع انسان و کالا هدف همیشگی هر جامعه‌ی سازمان یافته‌ای بوده است. تحولات اساسی شناخته شده در توسعه حمل و نقل عبارت بوده‌اند از: اختراع چرخ، راه‌آهن و هواپیما. راه‌آهن به شکل امروزی برای اولین بار دراوایل قرن نوزدهم و در معادن انگلیس ظاهر شد. خصوصیت اصلی آن تأمین حرکت هدایت شده چرخ توسط خط و با تماس فلز به فلز است. به طوری‌که تنها یک درجه آزادی را برای وسیله نقلیه ریلی فراهم می‌آورد.
به‌هرحال پیشتازان راه‌آهن امروزی خیلی زودتر از قرن نوزدهم ظاهر شدند. حرکت گاری‌ها و واگن‌ها بر روی ریلهای فلزی در یک نقاشی مربوط به سال 1550 میلادی که در شهر باسل سوئیس پیدا شده و روشهای حمل و نقل در معادن آلسس را نشان میدهد، به تصویر کشیده شده است. حرکت هدایت شده گاری‌ها به طور کلی، آن‌گونه که از شیارهای ایجاد شده روی سنگ‌فرشها برای تسهیل و تسریع حرکت گاری‌ها برمی‌آید، درزمان رمی‌ها نیز شناخته شده بود.
در مونت پنتلی نزدیک آتن، که سنگ های مرمر سفید برای پارتنن و سایر بناهای تاریخی از آن‌جا تأمین شده است، شیارهای عمیق موجود در زمین‌های صخره‌ای روشهای مورد استفاده توسط یونانی‌های باستان برای انتقال تخته سنگ‌های مرمرین به محل‌های ساخت را آشکار می‌کند علاوه بر این، آن‌گونه که بعضی از نویسندگان گفته‌اند، حرکت هدایت شده با قراردادن ناودانی‌های چوبی بر روی راه‌های لجن‌زار و هدایت کالسکه‌ها در یونان باستان مورد استفاده قرار گرفته است. در آن زمان دو عدد ناودانی برای عبور یک کالسکه کافی به نظر می‌رسید و زمانی که دو کالسکه از روبه‌رو به یکدیگر می‌رسیدند، راننده‌جوان‌تر به رانندهی پیرتر راه می‌داد. نقل شده است که در یک چنین حالتی اودیپ از راه دادن به راننده پیرتر که از جهت مقابل می‌آمد، سرباز زد و او را کشت، غافل از این که او پدرش لئوس بود.
خصوصیات راه‌آهن
راه‌آهن دارای ویژگی‌های زیر است:
- چرخش چرخ‌های با طوقه فلزی روی دو راه باریک فلزی که ریل نامیده می‌شوند، تماس دو فلز به علت مقاومت کمی که در برابر چرخش ایجاد می‌کند (کمتر از 3 کیلوگرم برای هر تن) موجب می‌شود که می‌توان برای هر واحد توان مفروض بارهای به مراتب زیادتری با راه‌آهن در مقایسه با جاده حمل کرد. تنها چیزی که ظرفیت قطارها را محدود می‌کند، مقاومت بست‌های بین واگن‌ها توزیع شده‌اند قطارهای به وزن تا 4000 تن در راه‌آهنهای اروپا و آمریکا رفت و آمد میکنند، و حتی می‌توان قطارهای به گنجایش 15000 تن برای حمل سنگ‌های معدنی به راه انداخت که بیش از دو راننده لوکوموتیو لازم نداشته باشند.
- هدایت دقیق لوکوموتیو و واگن‌ها که به وسیله شکل خاص قارچ ریل و شکل طوقه چرخ صورت می‌گیرد و این امکان را میدهد که از تمام عرض زیربنای راه یا دهانه تونلها و عرض پلها استفاده کامل گردد، زیرا فاصله عرضی دو قطار سریع را که در جهت‌های مختلف حرکت میکنند می‌توان به حداقل کاهش داد (مثلاً به 20 سانتی‌متر برای قطارهایی که 15/3 متر عرض دارند و هریک با سرعت 140 کیلومتر در ساعت حرکت میکنند)
- رفت و آمد قطارها به علت وجود ریلها فقط یک درجه آزادی بیشتر ندارد (حرکت طولی) و بنابراین راه‌آهن از هر وسیله دیگری برای بهره‌برداری خودکار (اتوماتیک) مناسب‌تر است. در عوض راه‌آهن به فراز و نشیب خیلی حساسیت دارد و ساختمان آن خاک‌ریزی و خاک‌برداری و پل و تونل‌های زیاد و پرخرجی را ایجاب می‌کند. ولی این مخارج زیاد فقط خاص راه‌آهن نیست. تجربه نشان میدهد که در شرایط مساوی یک بزرگراه چهارخطه (2×2خطه) در حدود 50 درصد گران‌تر از راه‌آهن تمام می‌شود.
امتیازهای راه‌آهن
خصوصیات ذکر شده در بالا به راه‌آهن امتیازهایی می‌دهند که عبارتنداز:
سرعت، ایمنی، نظم در ساعات رفت و آمد، دبی و راحتی
سرعت:
بررسی سرعت حرکت قطارها در اروپای غربی نشان میدهد که بیشتر شهرهای آن با سرعت متوسطی بیش از 120 کیلومتر در ساعت با یکدیگر در ارتباطند. در فرانسه علاوه بر قطارهای بسیار سریع T.G.V قطارهای سریع معمولی با سرعتهای متوسطی در حدود 140 تا 160 کیلومتر در ساعت بین شهرهای مختلف آن رفت و آمد میکنند زمان پیمودن هر مسیر برای قطارهای معمولی (غیرسریع) حدود 5 تا 15% بیشتر از زمان‌های حساب شده برای قطارهای سریع است. سرعت حداکثر برای قطارهای باری سنگین برحسب مورد برابر 90 تا 120 کیلومتر در ساعت است.
و...
