Введение
Переходная кривая (также спиральная вставка или просто спираль) — это спиралевидный участок автомобильной или железной дороги, используемый между участками с различными профилями и радиусами, например, между прямыми (касательными) и кривыми, или между двумя различными кривыми. В горизонтальной плоскости радиус переходной кривой непрерывно изменяется по всей длине между различными радиусами соединяемых участков — например, от бесконечного радиуса на касательной до номинального радиуса плавной кривой. Получающаяся спираль обеспечивает плавный, постепенный переход, предотвращая нежелательные резкие изменения поперечного (центростремительного) ускорения, которые возникли бы без переходной кривой. Аналогично, на автомобильных дорогах переходные кривые позволяют водителям плавно изменять направление движения при въезде или выезде из поворотов. Переходные кривые также используются для перехода в вертикальной плоскости, при котором высота внутренней или внешней стороны кривой понижается или повышается для достижения необходимого уклона поперечного профиля кривой.
A transition curve (also, spiral easement or, simply, spiral) is a spiral shaped length of highway or railroad track that is used between sections having different profiles and radii, such as between straightaways (tangents) and curves, or between two different curves. In the horizontal plane, the radius of a transition curve varies continually over its length between the disparate radii of the sections that it joins—for example, from infinite radius at a tangent to the nominal radius of a smooth curve. The resulting spiral provides a gradual, eased transition, preventing undesirable sudden, abrupt changes in lateral (centripetal) acceleration that would otherwise occur without a transition curve. Similarly, on highways, transition curves allow drivers to change steering gradually when entering or exiting curves. Transition curves also serve as a transition in the vertical plane, whereby the elevation of the inside or outside of the curve is lowered or raised to reach the nominal amount of bank for the curve.
История
На ранних железных дорогах, из-за низких скоростей и больших радиусов кривых, геодезисты могли не учитывать никаких переходных кривых, но в течение XIX века, с увеличением скорости, стала очевидной необходимость в кривой с постепенно возрастающей кривизной. В "Гражданском строительстве" Ранкина 1862 года упоминаются несколько таких кривых, включая предложение 1828 или 1829 года, основанное на "кривой синусов" Уильяма Граватта, и кривую подгонки Уильяма Фруде около 1842 года, аппроксимирующую эластичную кривую. Фактическое уравнение, приведенное Ранкином, представляет собой кубическую кривую – полиномиальную кривую третьей степени, которая в то время также называлась кубической параболой. В Великобритании принципы начали применяться на практике только с 1845 года, когда законодательство и стоимость земли стали ограничивать прокладку железнодорожных путей и потребовались более крутые повороты. "Истинная спираль", кривизна которой линейно зависит от длины дуги, требует более сложной математики (в частности, умения интегрировать её внутреннее уравнение) для вычисления, чем предложения, упомянутые Ранкином. Кажется, что несколько инженеров-строителей конца XIX века независимо вывели уравнение для этой кривой (не зная при этом об оригинальной характеристике кривой, данной Леонардом Эйлером в 1744 году). Чарльз Крандэлл в "Железнодорожной газете" от 3 декабря 1880 года приписывает Эллису Холбруку первое точное описание этой кривой. Другой ранней публикацией стала работа Артура Н. Талбота "Спираль перехода железной дороги", впервые опубликованная в 1890 году. Некоторые авторы начала XX века называют эту кривую "спиралью Гловера" и связывают её с публикацией Джеймса Гловера 1900 года. Эквивалентность спирали перехода железной дороги и клотоиды, по-видимому, впервые была опубликована в 1922 году Артуром Ловатом Хиггинсом.
Геометрия
В то время как геометрия железнодорожного пути по своей сути трехмерна, для практических целей вертикальные и горизонтальные компоненты геометрии пути обычно рассматриваются отдельно. Общий замысел вертикальной геометрии, как правило, представляет собой последовательность участков постоянного уклона, соединенных вертикальными переходными кривыми, в которых местный уклон изменяется линейно с расстоянием, а высота, следовательно, изменяется квадратично с расстоянием. Здесь уклон относится к тангенсу угла подъема пути. Замысел горизонтальной геометрии обычно представляет собой последовательность прямолинейных участков (то есть касательных) и кривых (то есть дуг окружности), соединенных переходными кривыми. Степень уклона пути обычно выражается как разница в высоте между головками рельсов, которая обычно количественно определяется и называется надвижкой. Такая разница в высоте рельсов предназначена для компенсации центростремительного ускорения, необходимого для движения объекта по криволинейному пути, чтобы боковое ускорение, испытываемое пассажирами/грузом, было сведено к минимуму, что повышает комфорт пассажиров/уменьшает вероятность смещения груза (перемещение груза во время транспортировки, вызывающее аварии и повреждения). Важно отметить, что надвижка не то же самое, что угол крена рельса, который используется для описания "наклона" отдельных рельсов, а не уклона всей рельсовой конструкции, как это отражено в разнице высот на "верху рельса". Независимо от горизонтального профиля и надвижки пути, отдельные рельсы почти всегда проектируются с небольшим "перекатом"/"отклонением" в сторону внутреннего края (сторона, где колесо контактирует с рельсом), чтобы компенсировать горизонтальные силы, действующие со стороны колес при нормальном движении поездов. Изменение надвижки от нуля на прямолинейном участке до значения, выбранного для основной части следующей кривой, происходит на протяжении переходной кривой, соединяющей прямолинейный участок и собственно кривую. На протяжении переходной кривой кривизна пути также будет изменяться от нуля на конце, примыкающем к прямолинейному участку, до значения кривизны основной части кривой, которое численно равно единице, деленной на радиус основной части кривой. Самая простая и наиболее часто используемая форма переходной кривой – это кривая, в которой надвижка и горизонтальная кривизна изменяются линейно с расстоянием вдоль пути. Декартовы координаты точек вдоль этой спирали задаются интегралами Френеля. Полученная форма соответствует части спирали Эйлера, которая также обычно называется "клотоидой", а иногда и "спиралью Корню". Переходная кривая может соединять участок пути с постоянной ненулевой кривизной с другим участком с постоянной кривизной, которая равна нулю или ненулевой любого знака. Последовательные кривые в одном направлении иногда называются прогрессивными кривыми, а последовательные кривые в противоположных направлениях – обратными кривыми. Спираль Эйлера обеспечивает кратчайший переход при заданном ограничении на скорость изменения надвижки пути (то есть крутизны пути). Однако, как было признано давно, она обладает нежелательными динамическими характеристиками из-за большого (концептуально бесконечного) ускорения крена и скорости изменения центростремительного ускорения на каждом конце. Благодаря возможностям персональных компьютеров теперь практически возможно использовать спирали, которые имеют динамические характеристики лучше, чем у спирали Эйлера.