Aanloopstrook houdt trein op de rails

,,De kritische snelheid ligt rond de tweehonderd kilometer per uur”, weet ir. A.R.M Wolfert, die 29 maart bij Civiele Techniek promoveert. ,,Dan wordt het systeem instabiel.” Als deze snelheid is bereikt, voeden de trillingen die de trein opwekt de oppervlaktegolven in de bodem. Die nemen dan rap in sterkte toe. In de slappe Nederlandse grond kan de golfslag zelfs zo hevig worden dat de trein uit de rails wordt gewipt.

Geen denkbeeldig risico, want in Frankrijk en Duitsland zijn er al treinen ontspoord door dit effect. De onderzoeksgroep van Wolfert bracht het verschijnsel twee jaar geleden naar buiten als de elastische golfbarrière, een term die nu internationaal is geaccepteerd.

Overigens heeft Wolfert voor zijn onderzoek bijna geen trein gezien. Hij beperkte zich tot een wiskundige analyse van golfstralingseffecten. Een zuiver theoretische exercitie zonder indrukwekkende modellen of ingewikkelde meetopstellingen. ,,Ik heb liever iets waarover ik kwalitatieve uitspraken kan doen, dan een prachtig maar ondoorzichtig numeriek model”, zegt hij daarover. ,,Ik wil exact weten wat er gebeurt, de fysische achtergrond doorgronden. En op die fysische kanten kun je alleen op deze manier greep krijgen. Daarnaast heb ik altijd iets met formules gehad. Dat is gewoon mijn stiel.”
A-viertjes

Om een begin te maken stortte Wolfert zich in de vakliteratuur,maar dat ging hem vrij snel tegenstaan. Zijn Russische co-promotor drong er toen op aan dat hij eerst maar eens een eenvoudig probleem moest oplossen: het beschrijven van golfstralingseffecten door een niet-uniform bewegende last. Hoeveel golfenergie er bijvoorbeeld in voor- en achterwaartse richting verdwijnt als een trein optrekt.

,,Toen is het plezier pas gekomen”, vertelt hij. ,,Ik heb voor het meest simpele model gekozen, een gespannen snaar waarlangs een belasting beweegt. Daar stel je dan een energiebalans van op om het onderliggende fysische proces te begrijpen. Maar dat was meer een tool om dichter tot de kern van het probleem te komen. Ik wilde begrijpen wat zich precies afspeelde als die kritische snelheid nog niet bereikt was. Met de HSL had het onderzoek toen nog niets te maken.”

Wolfert voerde een deel van zijn onderzoek uit bij het Mechanical Engineering Institute in Nizknynovgorod, de thuishonk van zijn Russische co-promotor. ,,Dat is het voordeel van dit type onderzoek: je kunt het overal doen. Je zit niet gebakken aan een laboratorium of een mainframe. Om een wiskundig model te ontwikkelen kun je letterlijk met een paar a-viertjes aan de slag. Pas later ga je een beetje programmeren, maar het meeste werk heb ik gedaan in een oude Russische flat.”

Met behulp van zijn eendimensionale modellen kon Wolfert uiteindelijk wel beschrijven wat voor golfeffecten hogesnelheidstreinen veroorzaken. Volgens hem moet in de nabije toekomst danig rekening worden gehouden met de elastische golfbarrière. ,,Toen juni vorig jaar dat grote ongeluk bij Eschede plaatsvond, vroeg ik me gelijk af of dat een oorzaak kon zijn. Een van mijn promotoren was toen in die regio, en hij vertelde me dat er de laatste dagen enorm veel regen was gevallen. De grond wordt daardoor slapper, wat een verlaging van de kritische snelheid tot gevolg heeft. In Nederland gaat dit zeker ook spelen.”

In de loop der jaren zijn vliegtuigbouwers er langzaam achter gekomen hoe ze een straaljager makkelijker door de geluidsbarrière kunnen loodsen. Een goede stroomlijn en een flinke dot gas doen wonderen, maar bij treinen gaat die vlieger niet op. Wolfert meent echter dat er een vrij eenvoudige manier is om de HSL veilig door de elastische barrière te duwen. Het recept: verhoog de snelheid van de oppervlaktegolven, dan komt de trein ze immers ook niet tegen. En dat kan makkelijk. Met beton.

,,Het is te vergelijken met schaatsen. Het ijs onder bruggen is vaak zwakker, dus daar wil je snel overheen. Analoog daaraan kun je de HSL eerst op een relatief kort betonnen traject op snelheid laten komen. De golfsnelheid is in beton aanzienlijk hoger dan in gewone grond, dus dat levert geen enkel probleem op.”

Op een gegeven moment houdt de fundering natuurlijk op. Maar als de voortrazende trein op het gewone spoorvak afstevent, rijdt hij al zo snel dat hij de oppervlaktegolven in de grond makkelijk voorblijft. De barrière is daarmee soepel geslecht.
Afgraven

Toch staan spoorwegontwikkelaars niet te springen om deze oplossing in praktijk te brengen. Wolfert: ,,Zo gaat dat meestal: als het wat meer mag kosten kiezen ingenieurs liever voor een oplossing die constructief zo veilig mogelijk is. Ik denk dat ze het liefst het hele traject tot op de zandlaag zouden willenafgraven, om daarna het spoor van Rozendaal tot Amsterdam op betonnen palen te kunnen zetten.”

Wolfert denkt dan ook dat zijn onderzoek voornamelijk wordt beschouwd als een academische vingeroefening. ,,Spoorwegmensen zijn wel blij dat de TU uitzoekt hoe de vork eigenlijk in de steel zit. Maar als het met meer geld nog iets veiliger kan, kiest men in het algemeen voor de duurdere oplossing. Ik denk dat de HSL hierdoor wel veel meer zal gaan kosten dan verwacht.”

Toch steekt het hem niet dat zijn idee straks vermoedelijk in de kast verdwijnt. ,,Daar heb ik helemaal geen last van. Dat is tenslotte inherent aan dit soort onderzoek. Ik word er ook niet gelukkig van als ik een prachtig ontwerp maak waar nog allerlei onzekerheden aan zitten. Iets waar ik eigenlijk niet volledig achtersta. Dat is nu eenmaal de aard van het beestje.”

Wolfert blijft voorlopig nog een tijdje bij de TU om onderwijs te geven en verder onderzoek te doen. Terugkijkend op de promotietijd, waarin zijn promotor dr.ir. H.A. Dieterman wegviel, wil hij nog een ding kwijt. ,,Door zijn overlijden zijn in dit onderzoek twee dingen met elkaar verweven geraakt. De golfverschijnselen en de menselijke kant van de zaak. Maar daarop krijg je geen greep met wiskunde.”

,

Op 14 oktober 1947 deed Charles ‘Chuck’ Yeager iets wat volgens veel wetenschappers onmogelijk was. Hij doorbrak de geluidsbarrière, een hardvochtig fysisch obstakel dat tot die tijd onneembaar leek. Maar die dag gaf de snelheidsmeter in Yeagers onstuimig schuddende Bell X-1 opeens ‘Mach 1,0’ aan. Boven de Edwards Air Force Base klonk zo voor het eerst in de geschiedenis een door mensen gemaakte supersone knal.

Dat treinen ooit sneller dan het geluid zullen gaan rijden lijkt onwaarschijnlijk. Ook bij veel lagere snelheden kunnen er echter problemen optreden. Net als bij supersonische vliegtuigen ligt hier een golfverschijnsel aan ten grondslag. Bewegende voertuigen geven namelijk altijd energie door aan de ondergrond. Die uit zich in trillingen, nauwelijks waarneembare rimpelingen aan de oppervlakte waar alleen omwonenden echt last van hebben.

Bij hogesnelheidstreinen wordt de zaak gecompliceerder. De golffronten die een railvoertuig uitzendt, verplaatsen zich gewoonlijk sneller dan de trein zelf. Een TGV haalt zijn eigen golven daarentegen makkelijk in.

,,De kritische snelheid ligt rond de tweehonderd kilometer per uur”, weet ir. A.R.M Wolfert, die 29 maart bij Civiele Techniek promoveert. ,,Dan wordt het systeem instabiel.” Als deze snelheid is bereikt, voeden de trillingen die de trein opwekt de oppervlaktegolven in de bodem. Die nemen dan rap in sterkte toe. In de slappe Nederlandse grond kan de golfslag zelfs zo hevig worden dat de trein uit de rails wordt gewipt.

Geen denkbeeldig risico, want in Frankrijk en Duitsland zijn er al treinen ontspoord door dit effect. De onderzoeksgroep van Wolfert bracht het verschijnsel twee jaar geleden naar buiten als de elastische golfbarrière, een term die nu internationaal is geaccepteerd.

Overigens heeft Wolfert voor zijn onderzoek bijna geen trein gezien. Hij beperkte zich tot een wiskundige analyse van golfstralingseffecten. Een zuiver theoretische exercitie zonder indrukwekkende modellen of ingewikkelde meetopstellingen. ,,Ik heb liever iets waarover ik kwalitatieve uitspraken kan doen, dan een prachtig maar ondoorzichtig numeriek model”, zegt hij daarover. ,,Ik wil exact weten wat er gebeurt, de fysische achtergrond doorgronden. En op die fysische kanten kun je alleen op deze manier greep krijgen. Daarnaast heb ik altijd iets met formules gehad. Dat is gewoon mijn stiel.”
A-viertjes

Om een begin te maken stortte Wolfert zich in de vakliteratuur,maar dat ging hem vrij snel tegenstaan. Zijn Russische co-promotor drong er toen op aan dat hij eerst maar eens een eenvoudig probleem moest oplossen: het beschrijven van golfstralingseffecten door een niet-uniform bewegende last. Hoeveel golfenergie er bijvoorbeeld in voor- en achterwaartse richting verdwijnt als een trein optrekt.

,,Toen is het plezier pas gekomen”, vertelt hij. ,,Ik heb voor het meest simpele model gekozen, een gespannen snaar waarlangs een belasting beweegt. Daar stel je dan een energiebalans van op om het onderliggende fysische proces te begrijpen. Maar dat was meer een tool om dichter tot de kern van het probleem te komen. Ik wilde begrijpen wat zich precies afspeelde als die kritische snelheid nog niet bereikt was. Met de HSL had het onderzoek toen nog niets te maken.”

Wolfert voerde een deel van zijn onderzoek uit bij het Mechanical Engineering Institute in Nizknynovgorod, de thuishonk van zijn Russische co-promotor. ,,Dat is het voordeel van dit type onderzoek: je kunt het overal doen. Je zit niet gebakken aan een laboratorium of een mainframe. Om een wiskundig model te ontwikkelen kun je letterlijk met een paar a-viertjes aan de slag. Pas later ga je een beetje programmeren, maar het meeste werk heb ik gedaan in een oude Russische flat.”

Met behulp van zijn eendimensionale modellen kon Wolfert uiteindelijk wel beschrijven wat voor golfeffecten hogesnelheidstreinen veroorzaken. Volgens hem moet in de nabije toekomst danig rekening worden gehouden met de elastische golfbarrière. ,,Toen juni vorig jaar dat grote ongeluk bij Eschede plaatsvond, vroeg ik me gelijk af of dat een oorzaak kon zijn. Een van mijn promotoren was toen in die regio, en hij vertelde me dat er de laatste dagen enorm veel regen was gevallen. De grond wordt daardoor slapper, wat een verlaging van de kritische snelheid tot gevolg heeft. In Nederland gaat dit zeker ook spelen.”

In de loop der jaren zijn vliegtuigbouwers er langzaam achter gekomen hoe ze een straaljager makkelijker door de geluidsbarrière kunnen loodsen. Een goede stroomlijn en een flinke dot gas doen wonderen, maar bij treinen gaat die vlieger niet op. Wolfert meent echter dat er een vrij eenvoudige manier is om de HSL veilig door de elastische barrière te duwen. Het recept: verhoog de snelheid van de oppervlaktegolven, dan komt de trein ze immers ook niet tegen. En dat kan makkelijk. Met beton.

,,Het is te vergelijken met schaatsen. Het ijs onder bruggen is vaak zwakker, dus daar wil je snel overheen. Analoog daaraan kun je de HSL eerst op een relatief kort betonnen traject op snelheid laten komen. De golfsnelheid is in beton aanzienlijk hoger dan in gewone grond, dus dat levert geen enkel probleem op.”

Op een gegeven moment houdt de fundering natuurlijk op. Maar als de voortrazende trein op het gewone spoorvak afstevent, rijdt hij al zo snel dat hij de oppervlaktegolven in de grond makkelijk voorblijft. De barrière is daarmee soepel geslecht.
Afgraven

Toch staan spoorwegontwikkelaars niet te springen om deze oplossing in praktijk te brengen. Wolfert: ,,Zo gaat dat meestal: als het wat meer mag kosten kiezen ingenieurs liever voor een oplossing die constructief zo veilig mogelijk is. Ik denk dat ze het liefst het hele traject tot op de zandlaag zouden willenafgraven, om daarna het spoor van Rozendaal tot Amsterdam op betonnen palen te kunnen zetten.”

Wolfert denkt dan ook dat zijn onderzoek voornamelijk wordt beschouwd als een academische vingeroefening. ,,Spoorwegmensen zijn wel blij dat de TU uitzoekt hoe de vork eigenlijk in de steel zit. Maar als het met meer geld nog iets veiliger kan, kiest men in het algemeen voor de duurdere oplossing. Ik denk dat de HSL hierdoor wel veel meer zal gaan kosten dan verwacht.”

Toch steekt het hem niet dat zijn idee straks vermoedelijk in de kast verdwijnt. ,,Daar heb ik helemaal geen last van. Dat is tenslotte inherent aan dit soort onderzoek. Ik word er ook niet gelukkig van als ik een prachtig ontwerp maak waar nog allerlei onzekerheden aan zitten. Iets waar ik eigenlijk niet volledig achtersta. Dat is nu eenmaal de aard van het beestje.”

Wolfert blijft voorlopig nog een tijdje bij de TU om onderwijs te geven en verder onderzoek te doen. Terugkijkend op de promotietijd, waarin zijn promotor dr.ir. H.A. Dieterman wegviel, wil hij nog een ding kwijt. ,,Door zijn overlijden zijn in dit onderzoek twee dingen met elkaar verweven geraakt. De golfverschijnselen en de menselijke kant van de zaak. Maar daarop krijg je geen greep met wiskunde.”