Dat een trein niet van de rails kukelt als hij een bocht maakt, komt door de ingenieuze vorm van zijn wielen. Eric de Kruijk brengt een ode aan deze techniek.

“Over een paar jaar hebben treinen geen wielen meer, maar zweven we op hoge snelheid over magnetische rails. We moeten wel nog even geduld hebben. Misschien zelfs tot het jaar 2000.” Met deze woorden eindigde ik als achtjarig jochie mijn allereerste spreekbeurt. Danny, een klasgenootje, vroeg na afloop waarom treinen eigenlijk zo goed op de rails blijven. Op zo’n eenvoudige vraag had ik toen geen goede reactie. Maar nu, bijna dertig jaar later, speciaal voor Danny alsnog een antwoord: er blijkt geniale, technische eenvoud schuil te gaan achter de stalen wielen.

Lees ook van Dagelijks gebruik door De Kruijk:

• ‘Voor de perfecte balpen moest Bíró jaren experimenteren’
• ‘Autobanden zorgen gelukkig alleen nog maar voor ruis’

Hoe blijven de wielen op de rails?

In 1804 was het de Engelse uitvinder Richard Trevithick die voor het eerst wielen onder een stoommachine zette en die over een rails liet rijden. De stoomtrein was geboren. De vraag ‘hoe blijven de wielen op de rails?’ bleek toen meteen al urgent. Zeker als de rails een bocht maakte, had een trein de neiging om rechtdoor te willen gaan en zo te ontsporen. Hoge opstaande randen (flenzen) aan de binnenkant van de wielen dwongen de trein dan om toch op de rails te blijven. Dit ging gepaard met veel wrijving en kabaal, en werkte eigenlijk vooral als de trein stapvoets reed.

Het is niet helemaal duidelijk of Trevithick zelf op het idee kwam, maar de oplossing bleek te zitten in een andere vorm van de wielen. In tegenstelling tot de cilindervormige wielen van een auto of een fiets, moeten treinwielen een licht conische vorm hebben, oftewel: een kegelvorm. De wielen hebben dan aan de binnenkant een iets grotere diameter dan aan de buitenkant. Afhankelijk van het type trein gaat het om een aflopende hoek van slechts 1 à 2 graden. Maar dat is genoeg om te voorkomen dat de trein in een bocht van de rails raakt.

Zelfcentrerend effect

Hoe werkt het in de praktijk? In een bocht naar links zal het treinstel meer met de linkerkant van de wielen het spoor raken. Door de kegelvorm is de diameter van het linkerwiel daar kleiner, terwijl de diameter van het rechterwiel aan die kant juist groter is. Doordat de wielen met een as aan elkaar vastzitten, legt het rechterwiel nu een grotere afstand af dan het linkerwiel. De trein maakt – zonder stuur – een soepele bocht naar links.

Mocht je het nog niet voor je zien, neem dan een koffiebekertje, leg dat op z’n kant en laat het over de tafel rollen. De wijdere bovenkant rolt harder dan de smallere onderkant en de beker maakt een bocht. Op rechte stukken rails heeft deze wielvorm een constant ‘zelfcentrerend effect’. Een trein rijdt hierdoor altijd een klein beetje slingerend over het spoor, maar zonder dat de flenzen de rails raken.

Hoe schuiner de hoek van conische wielen, hoe beter de trein scherpe bochten kan nemen, maar ook hoe groter dit zelfcentrerende effect. Dat zorgt er bij hogere snelheden wel voor dat de trein zoveel slingert dat het juist weer gevaarlijk wordt.

Hoe zit het met die zweeftrein?

De wielen van hogesnelheidstreinen hebben nog steeds die essentiële (licht) conische vorm, maar maken daarnaast ook gebruik van andere technologieën. Zo zijn deze wielen vaak niet meer met een starre as aan elkaar verbonden, maar kunnen ze onafhankelijk van elkaar draaien. Boordcomputers bepalen dan per wiel het ideale wiel-rails-contactpunt en de optimale draaisnelheid om veilig, snel en zonder al te veel schudden over rails te kunnen rijden.

Terugkomend op mijn voorspelling. Sorry, Danny, die klopte niet. We zweven nog niet massaal over rails en ik verwacht dat we nog wel enkele decennia op deze (i)conische stalen wielen zullen blijven rijden. In de combinatie van optimale prijs, veiligheid, eenvoud en snelheid blijken ze toch moeilijk te verslaan. Dit was mijn spreekbeurt. Zijn er nog vragen?

Deze column staat ook in KIJK 8/2022.