По другую сторону рельс: как работают поезда в видеоиграх и в реальности

Почему Артём не проехал бы и нескольких километров, а Гордону Фримену пришлось бы добираться до Сити 17 на своих двоих.

Red Dead Redemption 2, Grand Theft Auto: San Andreas, Uncharted 2, Metro Exodus или Half-Life 2. Что объединяет все эти игры? Наличие в них поездов. В одних играх они становится буквально подвижной локацией, а в других будоражат воображение зрелищными сценами погони и разрушений. Но задумывались ли вы о том, насколько игровые поезда близки к реальности?

Рассказываем на примерах о том, смог бы Джон Марстон расцепить поезд на ходу и почему игроки совершенно напрасно страдали, пытаясь догнать поезд в San Andreas.

Легендарная фраза раздосадованного Биг Смоука из Grand Theft Auto: San Andreas практически сразу после выхода игры в 2004 году стала интернет-мемом. В миссии «Не по ту сторону рельс» главному герою игры, СиДжею, нужно мчаться за поездом, на крыше которого четыре члена банды Vagos пытаются удрать.

По логике геймдизайнеров СиДжею следует держаться возле первого вагона поезда, пока Биг Смоук расстреливает из пистолет-пулемёта всю бравую четвёрку. Звучит нетрудно, вот только на деле напарнику в каждого члена банды приходится всаживать по два-три магазина, а поезд с каждой секундой разгоняется так быстро, что мопед догнать его уже не может. Именно поэтому для многих игроков эта миссия заканчивается фразой расстроенного Биг Смоука.

Но постойте-ка… Неужели героям действительно так необходимо держаться возле поезда? Или достаточно просто немного подождать?

Grand Theft Auto: San Andreas далека от реальности, когда речь заходит о поездах. Опустим тот факт, что мчаться по шпалам на мопеде — плохая идея. Нас в контексте этой миссии интересует то, как поезд поворачивает.

Как в действительности движется железнодорожный состав на кривом участке пути? Сперва посмотрим на траекторию пути колёс автомобиля во время поворота.

У автомобиля каждое колесо вращается независимо от другого, и поэтому повернуть для него не составляет труда. А вот у поезда колёса напрессованы на ось и представляют единое целое.

Но что, если диаметр колёс будет разным? Если соединить осью большое колесо с маленьким, то такая конструкция всегда будет поворачивать в сторону маленького колеса. Как теперь заставить колёсную пару поворачивать только тогда, когда нам это нужно? Для этого используется особый профиль.

Когда поезд въезжает в кривую, его колёса сдвигаются относительно оси пути: по внешнему рельсу колесо катится своим большим диаметром, а по внутреннему рельсу — маленьким. А чтобы центробежные силы не опрокинули состав наружу, кривые участки самого пути укладывают с наклоном на небольшой градус вовнутрь. Поэтому, когда поезд едет или стоит на повороте, он словно заваливается на бок.

Таким образом, максимально возможная длина сдвига колеса не превышает тридцати миллиметров, но этого хватает, чтобы поезда могли поворачивать.

Однако минимальный радиус поворота из-за этого не может быть меньше ста тридцати метров, скорость состава должна быть очень низкой, а кривая должна иметь переходной участок, чтобы поезд плавно переместился вбок. Если ещё сильнее уменьшить радиус или превысить скорость, то поезд попросту не впишется в поворот, гребни колёс могут даже не удержать поезд на путях — состав сойдёт с рельс и попросту завалится набок, а автосцепные устройства разорвутся из-за огромных боковых усилий.

Так что Биг Смоуку совсем необязательно заставлять СиДжея «следовать за чёртовым поездом». Достаточно дождаться ближайшего поворота, а дальше физика сама всё сделает. Миссия выполнена! А вы столько страдали, чтобы угнаться за поездом, да?

Кстати, в играх начала и середины нулевых художники нередко допускали ещё одну ошибку, из-за которой поезда не могли бы ездить в принципе. Например, в Half-Life 2 ширина колёсных пар попросту больше, чем ширина рельсовой колеи!

Гребень колеса располагается не с внутренней стороны рельса, а с наружной. В каком-то смысле такой поезд катился бы прямо по шпалам и был бы абсолютно неустойчивым, а из-за большой силы трения между колесом и шпалой даже очень мощный локомотив вряд ли смог бы сдвинуть такой поезд с места.

Возможно, художники студии Valve не учли, что ширина колеи в России и странах СНГ больше, чем в США и Европе: 1520 миллиметров у нас против 1435-и миллиметров у них. Поезда в Half-Life 2 вдохновлены именно советскими моделями, так что, похоже, колёсные пары им нарисовали под российскую колею, а вот сам железнодорожный путь остался европейским.

Так что Гордон мог добраться до Сити-17 или на своих двоих, или на автомобиле, но уж никак не на местном поезде. Проснитесь и шагайте, мистер Фримен, проснитесь и шагайте!

В Red Dead Redemption 2, когда герои грабят последний, как утверждает Датч, поезд, наступает момент, когда Джону Марстону приходится на ходу отцепить горящий вагон. А в Uncharted 2 в легендарной погоне вертолёт расстреливает ракетами поезд, и отцепленный вагон, взмывший в воздух из-за ударной волны, зрелищно летит прямо на главного героя.

Что общего между этими сценами? Печальные последствия, которые ждали бы в реальности Дрейка и Артура с Джоном. Давайте разберёмся, можно ли на ходу расцепить поезд и что будет, если всё же удастся это сделать?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять, как соединяются вагоны и локомотивы друг с другом. До 1932 года в царской России и СССР использовали винтовую сцепку, представлявшую тяжёлую железную цепь, которую набрасывали на большой крюк.

Даже если допустить, что во времена Артура Моргана на поездах применялась винтовая сцепка, для её сцепления и расцепления требовалось участие человека, которому необходимо находиться между вагонами, стоя на земле. Находясь над сцепкой, расцепить её практически нереально из-за «гири», расположенной между звеньями цепи. Эту гирю необходимо было приподнимать вручную, чтобы снять цепь с крюка.

Но мощности паровозов к началу ХХ века выросли, и с каждым годом машинисты всё чаще разрывали эту сцепку из-за больших тяговых усилий локомотива. Поэтому в СССР в 1932 году конструкторы разработали автосцепку СА-3, основанную на британской системе Виллисона 1910 года выпуска. В те годы, по словам историка железнодорожного транспорта Алексея Вульфова, если во время испытания автосцепки машинистам удавалось разорвать поезд, им давали премию.

Советская автосцепка не требует подготовки к сцеплению — достаточно просто аккуратно подъехать к поезду, и автосцепки вагона и локомотива соединятся за счёт своей конструкции. А чтобы расцепить СА-3, потребуется повернуть рычаг сцепного привода. При этом автосцепки не должны находиться в натянутом состоянии, иначе их просто невозможно расцепить.

Этим рычагом легко воспользоваться, стоя возле подвижного состава, но на ходу, особенно во время разгона, сделать это нереально.

Впрочем, во время торможения автосцепки примут сжатое состояние, поскольку задние вагоны из-за особенностей тормозной системы начинают сбрасывать скорость позже передних и набегают на голову состава. Так что даже если у главного героя фильма или игры получится поймать момент, когда состав тормозит, и ему удастся поднять рычаг, то задние вагоны и не подумают отставать от поезда.

Впрочем, место действия той же RDR 2 — США. Так, может быть, там автосцепки можно расцепить на ходу? И снова мимо! В США уже в 1893 году Конгресс принял закон «Об обеспечении безопасности на железнодорожном транспорте» (Railroad Safety Appliance Act), требующий от всех железнодорожных компаний Северной Америки перейти на использование автосцепки Джаннея с 1898 года. А как мы знаем RDR 2 начинается годом позже. И, действительно, в игре изображено в достаточно упрощённом виде именно такое автосцепное устройство.

На фотографии можно увидеть выделенный красным цветом кол, но вытащить его полностью невозможно — на самом деле, это зацепляющий фиксирующий штифт, который взводит (то есть, приподнимает сцепным рычагом) осмотрщик вагонов перед сцеплением. В момент соединения автосцепок друг с другом, этот штифт под действием собственной силы тяжести утопает в своём гнезде, скрепляя обе автосцепки вместе.

В этом отличие автосцепки Джаннея от СА-3 — советское устройство подготавливать перед сцеплением не нужно.

Но даже если бы этот штифт вынимался полностью, поднять его руками, пока автосцепки в натянутом состоянии, просто невозможно. А в миссии ограбления «последнего поезда, Артур» в Red Dead Redemption 2 мы видим, что после «расцепа» задние вагоны в игре начали резко терять скорость, а это значит, что паровоз ускорялся. Но масса всего поезда настолько велика, что Марстон, скорее, оторвал бы рукоятку, нежели смог вытащить сам штифт.

Чтобы расцепить автосцепки Джаннея, нужно с помощью того же рычага поднять и удерживать штифт, а только потом разводить вагоны. Если же автосцепки находятся в натянутом состоянии, то штифт блокируется в своём гнезде, и расцепить вагоны опять-таки невозможно.

Короче говоря, на ходу разъединить автосцепные устройства можно лишь, разорвав саму автосцепку слишком большими тяговыми или тормозными усилиями, либо в случае неисправности самой автосцепки. В случае с девайсом Джаннея саморасцеп может произойти только если по какой-то причине штифт не зайдёт в гнездо, поэтому осмотрщики вагонов в США внимательно осматривают каждое межвагонное соединение перед поездкой.

Но даже если героям удалось бы расцепить хорошую, исправную автосцепку своими силами, то что тогда? Неужели им удастся удрать на облегчённом поезде?

Чтобы узнать о судьбе старины Дрейка стоит взглянуть на… тормозную систему поезда.

Практически все поезда железных дорог мира используют пневматические тормоза, которые достаточно просты в исполнении и эффективны. Вкратце пневматика работает так: у каждого вагона и локомотива есть тормозные цилиндры, в которые подаётся сжатый воздух, который выталкивает так называемый шток, связанный с поршнем. Этот поршень действует на тормозную рычажную передачу, а та в свою очередь прижимает тормозные колодки к колесу. С помощью силы трения колодки понижают скорость вращения колёс, и поезд останавливается.

Вообще, помимо цилиндров и колодок у локомотива есть ещё и компрессор, который закачивает воздух под давлением в главный резервуар, а у вагонов — запасные резервуары, которые и подают воздух в тормозные цилиндры. Всё это управляется краном машиниста, а давление воздуха регулируется в элементах тормозной магистрали с помощью воздухораспределителей.

Тормоза бывают неавтоматические, а бывают автоматические. Первые активируются только вручную, а вот вторые могут сработать самостоятельно.

Первая надёжная автоматическая система пневматических тормозов была запатентована Джорджем Вестингаузом 5 марта 1872 года. В 1893 году Конгресс США принял «Закон об обеспечении безопасности на железнодорожном транспорте», делающий использование таких систем обязательным. Это значит, что уже на момент действия RDR 2 поезда были обеспечены этим тормозом.

Тормозная магистраль поезда замкнута, и в ней поддерживается давление примерно в пять раз выше атмосферного. А сама магистраль соединяется между вагонами так называемыми концевыми рукавами — резиновыми шлангами.

Поэтому если разъединить автосцепки, то рукав тотчас же натянется и практически сразу порвётся. Из-за разрыва тормозной магистрали сжатый воздух из неё тут же улетучится, и все тормоза поезда с огромной силой прижмут колодки к колёсам. Поэтому-то уйти от погони, отсоединив на ходу вагон, не получится.

Именно благодаря автоматическим тормозам все эти захватывающие сцены, когда герои фильма или видеоигры отцепляли каким-то чудом вагоны, заканчивалась бы одинаково — через минуту вся железная махина от головы до хвоста встанет как вкопанная.

При этом в интернете есть ролики, когда поезд на огромном ходу расцеплялся, и вагоны начинали себя вести точно так же, как в фильмах — резко терять скорость, пока локомотив устремляется вперёд.

На самом деле так проводят тормозные бросковые испытания для определения тормозного пути состава, у которого в момент разрыва магистрали экстренно срабатывают тормоза. И тогда локомотив действительно отцепляется от состава на ходу и за счёт силы тяги начинает двигаться быстрее, чем состав, который постепенно теряет скорость.

У локомотива для этого отключают автоматический тормоз, а также устройства, отключающие ему тягу, чтобы он сам не начал резкое торможение при разрыве магистрали. Но вряд ли такие эксперименты будут проводить с поездом, заполненном пассажирами, чтобы Натан или Джон на полном ходу смогли отцепить парочку вагонов.

Злоключения Артура с поездами не заканчивается на их ограблениях. Главный герой RDR 2 пусть и с некоторым трудом может угнать паровоз и прокатиться по красивейшим пейзажам Дикого Запада! Или же ему это не удастся? И дело совсем не в законниках, которые сделают всё, чтобы остановить новоявленного машиниста.

Как работает паровоз и почему без кочегара Артур Морган далеко не уедет? Многие локомотивы в оригинальной Red Dead Redemption основаны на десятиколёсных паровозах, которые всё ещё использовались некоторыми западными железными дорогами в начале 1900-х годов.

Так что Rockstar отдаёт дань уважения голливудским вестернам, в которых чаще всего показывали культовый локомотив 1860-1880-х, Sierra Railroad # 3. Этот паровоз появлялся в вестернах настолько часто, что стал визитной карточкой жанра.

Впрочем, у паровозов из RDR есть очевидные черты локомотива с осевой формулой 4-6-0 Central Pacific и других десятиколёсных машин начала 1860-х годов, таких как Thatcher Perkins № 25 компании Baltimore & Ohio Railroad.

В Red Dead Redemption 2 один паровоз тоже основан на Thatcher Perkins, а другой — на американском Central & Hudson River Railroad № 999, который якобы разогнался до скорости 100 миль в час в 1893 году. Хотя на самом деле вероятная максимальная скорость составляла 81 милю в час.

Кстати говоря, осевая формула 4-6-0, используемая многими паровозами в игре, эксплуатировалась всеми железнодорожными компаниями США. А вот локомотивы 4-4-0 разъезжали исключительно на Южной и Восточной железных дорогах.

Осевая формула — это термин, который железнодорожники придумали для описания параметров ходовой части локомотива: количество, размещение и назначение осей. Именно благодаря ней можно понять, почему у многих паровозов колёса разного размера.

Если у современных тепловозов и электровозов все колёсные пары одинаковые по размеру и приводятся во вращение тяговыми двигателями, каждый из которых соединён со своей колёсной парой с помощью редуктора, то у паровозов может быть сразу три типа осей.

Ведущие оси, устанавливаемые под котлом, связаны друг с другом поводковыми тягами. Именно эти оси реализуют тяговое усилие, передаваемое от поршней.

Направляющие или бегунковые оси, количество которых обычно было не больше двух, служат для вписывания паровоза в кривые и свободно поворачиваются относительно главной рамы локомотива.

Наконец, поддерживающие оси располагаются позади ведущих и предназначаются для равномерного распределения огромного веса локомотива на рельсовый путь.

Только ведущие оси были обязательными в паровозе, а остальные типы могли отсутствовать либо частично, либо полностью. Вот, например, советский пассажирский паровоз П36 с осевой формулой 2-4-2.

Но пока паровоз стоит на месте, от него нет никакого толка. Так как же привести его в движение?

Паровоз — машина простая и состоит из трёх основных частей: котла (система дымогарных и жаровых труб, скрытых цилиндрическим корпусом), паровой машины и экипажной части (кроме колёс сюда входит система цилиндров и поршней).

Как следует из названия локомотива, он приводится в движение паром. А нагреть воду, чтобы она начала испаряться, можно, например, сжиганием угля. Впрочем, паровоз по-настоящему всеяден: его можно «прокормить» дровами, мазутом, нефтью, торфом, сланцем, даже промасленными шпалами или ветошью — практически любым горючим материалом, способным вскипятить воду в котле. А в Гражданскую войну 1917-1922 годов известен случай, когда в качестве топлива кочегар использовал сушёную воблу!

В паровозе средней мощности в топку требовалось закидывать две-три лопаты угля в минуту, а на каждые 100 км пути кочегар перебрасывает около 5 тонн угля. В зависимости от модели локомотива это значение может меняться, но не слишком. В любом случае, без периодического добавления топлива паровоз далеко не уедет. Почему? С помощью сгорания угля в топке котёл разогревается, вода в нём закипает, из неё образуется пар, который подаётся в цилиндры, выталкивающие поршни. А уже благодаря давлению поршней колёса с помощью поводковых осей приводятся в движение.

Добавление в топку угля позволяет увеличить давление пара в котле, а значит, увеличить скорость паровоза. Если же кочегар перестанет добавлять уголь, то давление уменьшится, а, следовательно, скорость паровоза упадёт до нуля. Что же мы видим в Red Dead Redemption 2? Артур даже не думает браться за лопату!

Конечно, на относительно новых паровозах конструкторы делали всё, чтобы облегчить труд локомотивной бригады, а часть работы механизировать. На больших паровозах, например, на американском Big Boy компании Union Pacific или советском паровозе «Иосиф Сталин» кочегар вообще не забрасывал уголь в топку. Сил одного человека всё равно не хватило бы, чтобы прокормить гигантский локомотив. Поэтому в таких паровозах конструкторы устанавливали механический углеподатчик или стокер.

Но даже если Морган возьмёт на себя роль помощника машиниста и кочегара, ему нужно внимательно следить за показаниями приборов. Чтобы паровоз двигался с нужной скоростью, необходимо поддерживать давление пара и следить за уровнем воды, ведь если жидкой воды станет меньше определённого уровня, котёл попросту взорвётся.

Почему так происходит? Ответ даёт старая-добрая физика. Водяной пар — это газ, а газ пытается занять весь доступный ему объём. Жидкая вода вытечь никуда не может, и единственной причиной уменьшения её количества становится испарение. А чем больше пара, тем выше давление. И когда давление превышает допустимые пределы, пар разрывает котёл. Последствия этого явления наверняка впечатляли Говарда Лафкравта.

Так что при высочайшем уровне реализма окружения и детализации, поезда в RDR 2 попросту не смогут двигаться, пока ими управляет машинист в одно лицо. Возможно, с этой задачей лучше справится Metro Exodus?

В Metro Exodus Артём, Аня, Ермак, Сэм и другие жители московской подземки отправились в путешествие по России, чтобы найти других выживших и отыскать тихое и спокойное место, нетронутое ядерным пожаром войны. Ермак — в прошлом машинист метропоезда, так что теоретически управлять паровозом он действительно мог бы. Но смогли бы главные герои добраться до Казахстана и Новосибирска по Транссибирской магистрали после ядерного апокалипсиса? Какие трудности могут ждать героев Metro Exodus в пути, кроме радиации, мутантов и бандитов?

Для начала посмотрим, из чего состоит железнодорожная линия. Все станции дороги (или раздельные пункты) соединяются между собой перегонами, а перегоны в свою очередь делятся на «блок-участки» длиной до трёх километров. Блок-участки перегона отделяются друг от друга светофорами, и на каждом участке может находиться только один поезд.

Чем больше расстояние между станциями, тем больше блок-участков на перегоне, а значит, выше вероятность, что хотя бы на одном участке едет состав.

Регулируется движение поездов системой СЦБ — сигнализация, централизация и блокировка. Эта сложнейшая структура на современных железных дорогах полностью автоматизирована.

Когда сигнализация работает правильно, машинист поезда, посмотрев на сигнал светофора, может легко определить, как близко к нему находится впереди идущий поезд. Если сигнал красный, то следующий блок-участок занят составом, и машинисту необходимо экстренно остановиться. Если жёлтый, то впереди свободен один блок-участок. А если же светофор показывает зелёный сигнал, то машинист точно знает, что как минимум на два блок-участка вперёд дорога совершенно свободна.

Однако система сигнализации, централизации и блокировки питается за счёт электричества, которого во вселенной «Метро 2033» практически нет. А это значит, что герои игры следовали вслепую, не зная, что может ждать их впереди. Война застала врасплох всю страну, так что на Транссибирской магистрали, по которой движутся герои игры, могли быть брошены поезда прямо на перегоне за ближайшим поворотом. Кто же их оттуда уберёт?

Станции на железной дороге бывают самыми разными. Иногда это даже не станции, а маленькие раздельные пункты посреди чистого поля, которые предназначены для того, чтобы один поезд мог остановиться и пропустить более быстрый вперёд.

Но в крупных городах станции настолько огромные и запутанные, что управлять их движением автоматика уже не может. На помощь приходит ДСП — дежурный по станции.

Именно ДСП регулирует стрелочные переводы и сигналы светофоров, а также держит радиосвязь с машинистами поездов на станции и рядом с ней. Работа дежурного заключается в том, чтобы подготовить для поезда маршрут, чтобы состав проследовал станцию или остановился именно там, где это необходимо.

Маршрут для каждого поезда уникален, поэтому с трудом верится, что Артёму с товарищами действительно так повезло, что на протяжении всего пути маршрут был подготовлен специально для них.

Но даже если предположить, что путь из Москвы до Каспийского моря или Владивостока полностью свободен от поездов, брошенных в панике на перегонах и станциях, то кто сказал, что все стрелочные переводы подготовлены для поездки? В регламенте переговоров машиниста и помощника неспроста есть строчка: «Стрелки по маршруту (в пределах видимости)». Это фраза означает, что локомотивная бригада должна убедиться, что стрелочные переводы установлены именно для их поезда.

Что такое стрелка по своей сути? Это механизм, который помогает поезду перейти с одного пути на другой.

Конструкция «стрелки» не позволяет поезду пойти по заблокированному пути (на фото левый по ходу движения). Но если поезд будет двигаться к фотографу по левому пути, то состав либо сломает стрелочный перевод — это называется «взрез стрелки» — либо попросту сойдёт с рельс.

На Транссибирской магистрали все стрелочные переводы давным-давно автоматизированы. И хотя их всё же можно в случае неисправности системы СЦБ перевести вручную, это займёт слишком много времени.

Поэтому, не зная маршрут, лихо рассекать по Транссибу смерти подобно. Ведь даже если Ермак увидит, что стрелочный перевод не подготовлен или что за поворотом стоит брошенный поезд, времени на экстренное торможение, чтобы остановиться и вручную перевести стрелку, ему может просто не хватить.

И это уже не говоря об оставленных прямо на переездах автомобилях или попросту проржавевших насквозь от времени рельсов, которых никто десятки лет не обслуживал.

Разработчики видеоигр редко задумываются о том, как действительно работают поезда, поэтому допускают ошибки, которые в реальности могли бы стоить героям жизни или попросту не дали бы величественному поезду сдвинуться с места.

Но такое невнимание вполне объяснимо — для тех, кто жаждет почувствовать себя настоящими машинистами, создают симуляторы поездов, в которых разработчики задумываются даже о такой сложной вещи, как инерция поезда, из-за которой остановить состав массой с десяток тысяч тонн на скорости в пять километров в час не так и просто.

Впрочем, в обычной игре от излишней реалистичности вряд ли были бы в восторге и игроки, и сами разработчики. Ведь в первую очередь всем нам хочется насладиться великолепным зрелищем несущегося на всех парах красавца-поезда, а уж эта задача видеоиграм точно по плечу.

#разбор #лонг #истории