قطار
القطار Train حدى أهم وسائل النقل، ففي كل يوم وفي جميع أنحاء العالم، تجري آلاف القطارات على الخطوط الحديدية الممتدة. وتحمل بعض القطارات الركاب، ويحمل بعضها الآخر الفحم الحجري والحبوب والآلات والأخشاب والعديد من المنتجات الأخرى التي يعتمد عليها الكثير من الناس. وتُعَدُّ الطائرات وسيلة النقل الجماعي الأخرى الوحيدة الأسرع من السكك الحديدية، في حين تُعَدُّ السفن الوسيلة الوحيدة القادرة على نقل البضائع والشحنات لمسافات أطول. ولقد زادت كثيرًا سرعة القطارات، حيث وصلت سرعة بعضها إلى ما يقرب من 370كم في الساعة. ويمكن لقاطرات الشحن حمل آلاف الأطنان من البضائع والمواد داخل القارة الواحدة.
تستخدم السكك الحديدية قضيبين من الفولاذ لتوجيه القطارات في مسار محدد. ولهذا، فإن القطارات لا يتم توجيهها على عكس الطائرات والسيارات والسفن التي
تحتاج إلى عملية توجيه. تحرك معظم القطارات قاطرات ديزل كهربائية، أو قاطرات كهربائية قوية على امتداد الخطوط الحديدية. ومع ذلك مازالت هناك بعض القاطرات البخارية القديمة المستخدمة في سحب وجرّ القطارات في بعض أجزاء من العالم.
تمتلك كل دولة من دول العالم تقريبًا خطًا حديديًا واحدًا على الأقل، وتمتد بعض خطوط السكك الحديدية لمسافات قصيرة فقط. ومن المعروف أن أطول خط سكة حديدية في العالم موجود في الاتحاد السوفيتي (السابق)، حيث يبلغ طول ذلك الخط الحديدي 9,010كم، وهو يربط موسكو و فلاديفوستوك في أقصى الجنوب الشرقي للبلاد. وإذا وضُعت خطوط السكك الحديدية في العالم بعضها بجانب بعض، فإن طولها يصل إلى 1,207,000كم، أي ما يساوي ثلاثة أضعاف وربع المسافة التي تقع بين الأرض و القمر.
تشير كلمة سكة حديد إلى طريقة النقل وأسلوبه، وتشمل أيضًا المنظمات الأخرى التي توفِّر خدمات النقل على السكك الحديدية. وتمتلك الحكومة المركزية في معظم دول العالم معظم السكك الحديدية أو جميعها. وتدير هيئة حكومية أو مؤسسة تمتلكها الحكومة جميع خطوط السكك الحديدية وتقوم بتشغيلها.
بد أ تشغيل أول خطوط السكك الحديدية للجمهور في إنجلترا في العشرينيات والثلاثينيات من القرن التاسع عشر الميلادي. وقد استخدمت هذه الخطوط محركات بخارية لسحب مركبات البضاعة المحملة بالشحنات أو العربات المحملة بالركاب. ولقد نما النقل بالسكك الحديدية نموًا سريعًا وأدى دورًا مهمًا وأساسيًا في التطور الصناعي لبريطانيا في خمسينيات القرن التاسع عشر الميلادي. وبحلول منتصف القرن التاسع عشر، كانت هناك أيضًا سكك حديدية لدول أخرى تعتمد على قاطرات بخارية. وفي أواخر القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين الميلادي انتشرت آلاف القطارات البخارية وشقَّت طريقها في جميع أنحاء الدول حاملة شحنات البضائع والركاب المسافرين لمسافات طويلة. وقد اكتمل أول خط سكة حديدية في الجانب الغربي من أمريكا الشمالية عام 1869م، وقد ساعد وجود هذه السكة الحديدية على فتح المنطقة الغربية من أمريكا للمستوطنين.
وعلى مر السنين، لاقت السكك الحديدية منافسة شديدة من وسائل المواصلات الأخرى. ولذلك، فإن الحكومات المركزية في معظم دول العالم تقوم بإنشاء السكك الحديدية وتدعمها ماليًا. منذ منتصف القرن العشرين، دأبت الحكومة الهندية التي تمتلك أكبر شبكة سكك حديدية في قارة آسيا على توسيع هذه الشبكة. وبحلول تسعينيات القرن العشرين، زاد عدد الركاب وخدمات الشحن في السكك الحديدية إلى ثلاثة أمثال ماكان متوافرًا بعد الحرب العالمية الثانية (1939م – 1945م).
ويواجه عددٌ من شركات السكك الحديدية مشكلات مالية خطيرة، وذلك في الدول التي لاتدعم حكوماتها السكك الحديدية، أو تدعمها بقدر محدود، كما هو الحال في الولايات المتحدة الأمريكية. وفي المملكة المتحدة ـ حيث تدعم الحكومة السكك الحديدية دعمًا جزئيًا وليس دعمًا كاملاً ـ لم يكن في وسع شركات السكك الحديدية أن تستثمر أموالها بصورة جيدة في المعدات المعهودة، مثل مركبات السكك الحديدية أو الكهربائية، كما أنها لم يكن في وسعهًا إجراء برامج تحديث لها. وتعارض مجموعات المحافظة على البيئة بناء وصلات سكك حديدية جديدة، وعلى الرغم من ذلك أنشئت حول كثير من المدن الكبيرة خطوط سكك حديدية (قطارات الضواحي)، وذلك للحد من الاختناقات المرورية التي تحدث بسبب كثرة الأعمال وحركة العاملين ذهابًا وإيابًا.
فهرست
كيف تخدم السكك الحديدية الناس
تقدم السكك الحديدية نوعين أساسيين من الخدمات:
1- خدمات الركاب
2- خدمات الشحن ونقل البضائع. وتختلف أهمية كل نوع من هذه الخدمات من دولة إلى أخرى.
تسير السكك الحديدية نوعين أساسيين من قطارات الركاب هما:
* قطارات الضواحي،
* قطارات الأقاليم.
تحمل قطارات الضواحي الركاب بين المدن الكبيرة والضواحي المحيطة بها والقرى القريبة منها. وتُجهَّز معظم قطارات الضواحي بعربات ركاب فقط، حيث تتوافر في عربات الركاب مقاعد لجلوس الركاب فقط. وليس من المعتاد في هذه القطارات تقديم أية خدمات أخرى مثل الوجبات أو المشروبات. أما قطارات الأقاليم، فإنها تقطع مسافاتٍ أطول مقارنة بقطارات الضواحي. والواقع أن قطارات الأقاليم تمضي عدة أيام كَيْ تُكْمِل رحلتها. ونتيجة لذلك، يوجد في كثير من قطارات الأقاليم وقطارات الركاب الدولية عربات خاصة مثل عربات الطعام و عربات النوم بالإضافة إلى عربات الركاب.
ومنذ أربعينيات القرن العشرين، أخذ عدد ركاب السكك الحديدية في العديد من دول العالم الصناعية في التناقص والانخفاض الشديد نظرًا للإقبال المتزايد على استخدام السيارات والطائرات. ولكن، وخلافًا لذلك، لم تواجه قطارات الركاب في بعض دول العالم نفس المنافسة الشديدة من جانب وسائل النقل الأخرى كما حدث في دول العالم الصناعية. على سبيل المثال، فما زالت القطارات تحمل نحو 50% من المسافرين في أرجاء جمهوريات الاتحاد السوفييتي (السابق). كما يعتمد كثير من الركاب على القطارات في السفر والتنقل بين المدن كما هو الحال في الصين الشعبية والهند واليابان ومعظم الدول الأوروبية. وتُعَدُّ نظم السكك الحديدية أكثر وسائل السفر استخدامًا للركاب على وجه العموم في اليابان و سويسرا.
قطارات الضواحي. تسافر بها نسبة عالية من الركاب. والواقع أن هذه القطارات تحمل في يوم واحد من أيام العمل مئات الألوف من قاطني الضواحي من أعمالهم وإليها في المدن الكبيرة مثل: لندن و نيويورك. ومن أمثلة قطارات الضواحي أيضًا القطارات التي تخدم ضواحي مدينة كلكتا و جوهانسبرج و موسكو و باريس و طوكيو، والكثير من المدن الأخرى في أرجاء العالم. كما تقوم بعض قطارات الأقاليم بخدمة عدد من الضواحي.
وبإمكان قطار الضواحي الواحد أن يحمل من الركاب عددًا يلزم لنقله ألف سيارة خاصة. ولذلك، تستطيع قطارات الضواحي الإسهام في التخفيف من ازدحام الطرق في المدينة في ساعات الذروة. وبإسهامها هذا في التقليل من عدد السيارات المستعملة على الطريق، تساهم قطارات الضواحي أيضًا في خفض استهلاك الوقود، إضافة إلى أنها تقلل من التلوث الذي قد ينجم نتيجة غازات العادم التي تفرزها السيارات.
قطارات الأقاليم. قطارات ذات سرعات عالية جدًا، وتمتلك بعض الدول الكثير منها. وعلى سبيل المثال، تسير الكثير من القطارات اليابانية بمتوسط سرعة أعلى من 160كم/ ساعة. وتعمل أسرع قطارات الركاب في العالم في فرنسا، إذ تسير هذه القطارات بسرعة تصل إلى 269كم/ساعة، وهي تجري بين باريس و ليون، بينما تصل سرعة القطارات العاملة بين باريس وبين بعض مدن جنوبي فرنسا إلى 330كم/ساعة. وتخدم عدد من القطارات عالية السرعة أيضًا عددًا من المدن في المملكة المتحدة وفي بعض الدول الأوروبية الأخرى. وتوفر الكثير من القطارات السريعة في كل من اليابان والدول الأوروبية عددًا من الخدمات الفخمة، بما في ذلك صالونات الحلاقة ومحال التجميل والهدايا والهاتف، كما تقدم الوجبات للركاب وهم جالسون في مقاعدهم.
وتدخل في إعداد رحلة قطار الركاب في بريطانيا أعمال كثيرة يشارك فيها عدد من العاملين في أقسام مختلفة. فقبل بدء الراكب في الرحلة، لابد من معرفة موعد مغادرة القطار للمحطة، ويُستدل على ذلك إما بالتقويم المعد لبيان مواعيد القطارات أو بمكتب الاستعلامات في محطة القيام. ثم يشتري الراكب أو الراكبة التذكرة من مكتب بيع التذاكر. وفي بعض الأحيان، ربما يقوم الراكب في الوقت نفسه بحجز مقعد له في القطار. وقد يتناول المسافر كوبًا من الشاي أو بعضًا من الأطعمة الخفيفة في مطعم المحطة، وتتوافر في بعض محطات السكك الحديدية الكبيرة مطاعم للأغذية السريعة. ويقوم أحد موظفي إدارة المحطة بالإعلان عن مواعيد القطارات، كما يشرف عامل في السكك الحديدية على مغادرة كل قطار للمحطة. وفي المحطات الكبيرة يوجد ناظر للمحطة أو مدير لها يشرف على عدة مئات من الموظفين الذين يعملون في فترات عمل مختلفة طوال الليل والنهار.
يتحرك القطار بقاطرة ديزل أو بقاطرة كهربائية، يُعِدِّها قسم المحركات. يقوم عمال ذلك القسم يتنظيف القاطرة وملئها بالوقود وتجهيزها بما تحتاج إليه في رحلتها. وقبل ذلك، يكون عمال التجميع وفنيو الكهرباء قد قاموا بفحص القاطرة والتأكد من أنها بحالة سليمة. وقبل البدء في الرحلة، لابد أن يقرأ السائق والحارس التعليمات المسلَّمة إليهما والتي تبين لهما القيود الطارئة على السرعة، والأعمال الهندسية في الطريق، والنقاط الأخرى المهمة التي يجب مراعاتها طوال الطريق. وإضافة إلى ذلك، لابد أن يكون قد جرى غسل عربات الركاب بالقطار وتنظيفها، وإذا كانت هناك عربة طعام أو مطعم بالقطار، فلابد أن تكون قد جُهِّزت بالطعام والشراب، وأن يكون رئيس الطهاة مشغولاً بإعداد الوجبة.
يعطي مفتش القطار للسائق الأمر بالبدء في تحريك القطار، ويجب على المفتش التأكد من سلامة القطار وأمنه، وإعطاء إشارة البدء في الوقت المناسب. وحينذاك، يحرك السائق القطار بحسب توجيهات رجال الإشارات الذين يشرفون على صناديق الإشارات على طول الخط. كما يقوم المفتش أثناء سير القطار بالتفتيش على تذاكر الركاب أو جمعها.
قطارات الشحن
يأتي معظم دخل السكك الحديدية، في كثير من بلدان العالم، من نقل البضائع وشحنها، حيث يُعَدُّ شحن البضائع بالسكك الحديدية لمسافات طويلة أرخص من أية وسيلة أخرى للنقل البرِّي. ويمكن الإشارة هنا إلى أن قطارات الشحن في الاتحاد السوفيتي السابق تنقل أكبر كمية من البضائع في العالم، تليها الولايات المتحدة الأمريكية ثم الصين. وتُستخدم القطارات بكثافة في نقل البضائع الضخمة ذات الأحجام الكبيرة، مثل: المواد الخام، والفحم الحجري، و النفط، والمواد الكيميائية.
هناك أنواع متعددة من عربات الشحن في السكك الحديدية، كما أن هناك الكثير من معدات مناولة البضائع وشحنها. أما المواد كبيرة الحجم، مثل الفحم الحجري والمواد الأولية، فإنها تنقل في عربات مفتوحة مزودة بأبواب في أسفلها أو على جوانبها، حيث يمكن تفريغ هذه العربات بسرعة عن طريق تلك الأبواب، كما يمكن قلب العربة بمحتوياتها لتُفْرَغ في القلابة. وتُنْقَل المواد المطحونة في صورة مسحوق، مثل الإسمنت، في عربات خاصة، جسمها على صورة حاوية مُصنَّعة من الفولاذ المصبوب. ومثل هذه العربات تُشحن وتُفَرَّغ بضغط الهواء، حيث ينساب مسحوق المادة إلى العربة أو إلى خارجها عن طريق أنابيب شحن. وفي بعض الدول، تُستعمل بعض العربات الخاصة المكوَّنة من طابقين أو ثلاثة لنقل السيارات. والواقع أن عربات الشحن المغطاة تحمي الشحنة التي يمكن أن تتلف أو تُضارّ من الجو. ويتوافر لدى شبكات السكك الحديدية عربات مفتوحة يمكن تغطية أسطحها بلفات فلزية، أو بأغطية نسيجية. وتُنقل الكيميائيات و الحليب و النفط و الزيت والسوائل الأخرى في عربات صهريج، بينما تُنقل الأغذية القابلة للتلف في عربات ثلاجة. وتُشحن بعض الأطعمة، مثل الموز، في عربات دافئة، وذلك للتأكد من أنها ستكون جاهزة للأكل عند الوصول.
ويستخدم الكثير من شبكات السكك الحديدية في الولايات المتحدة الأمريكية مقطورات الطريق بدلاً من الحاويات، حيث تحمل المقطورة بكاملها على عربة سكة حديدية. ولقد استُخدمت في الولايات المتحدة الأمريكية أيضًا المقطورات ذات العجلات في السكك الحديدية، إضافة إلى مقطورات عجلات طريق عادية، وهذا الأسلوب تتم دراسته في الوقت الراهن في المملكة المتحدة. ويمكن لهذه المقطورات أن تجري إما على الطريق العادي أو بطريق السكة الحديدية حيث تجرها القطارات وتسحبها بسرعات عالية.
وقد اعتادت السكك الحديدية، في وقت من الأوقات، أن تخلِّف عربة أو عربات، وأن تأخذ غيرها من كل محطة تقريبًا. ولكن قطارات الشحن السريعة تعمل في هذه الأيام بين عدد محدود من المراكز الرئيسية وساحات الفرز. وتقوم عربات النقل بجمع البضائع والشحن وتسليمها في منطقة واسعة المدى. وتفضل الكثير من شبكات السكك الحديدية أن تجعل عربات قطارات الشحن معًا وحدة واحدة. وقد أصبح في إمكان قطار الفحم الحجري مثلاً أن يشحن الشحنة ويفرغها دون أن يتوقف بصورة كاملة.
خدمات الشحن.تُنْقل البضائع البريطانية على السكك الحديدية في عربات شحن كاملة الحمل، حيث يتم توصيل عدة عربات مختلفة لتكون قطارًا سريع الوصلات. وتُكوّن الشبكة المتكاملة من القطارات السريعة الوصلات شبكة تصل المدن الكبيرة معًا، وتعمل معظم هذه القطارات في الليل.
وتُنْقل الكثير من الشحنات في قطارات الشركات، حيث يحمل كل قطار منتجات شركته، أو يحمل مواد أولية لشركة واحدة. وتجري قطارات الشركات مباشرة بين طرفين أو نهايتين، وكثير من هذه النهايات تكون لها محطات خاصة عند المناجم والمصانع أو في غيرها من المناطق الصناعية. وفي أستراليا، تنقل شركات السكك الحديدية الخاصة بالمناجم والتعدين مجتمعة نحو 150 مليون طن متري من المواد الخام، ومعظمها من خامات الحديد التي يتم تصديرها، وتحمل خطوط السكك الحديدية العديدة التي أنشئت في إفريقيا المواد الخام من المناجم إلى السواحل تمهيدًا لتصديرها إلى خارج القارة. وفي الوقت الراهن تُستخدم هذه الخطوط أيضًا لخدمة قطارات الركاب.
ولقد حاولت السكك الحديدية في كثير من دول العالم جذب زبائن أكثر لاستخدام خدمات قطارات الشحن، وذلك بتحسين خدماتها لنقل البضائع. وعلى سبيل المثال، فقد قدَّمت السكك الحديدية في الولايات المتحدة الأمريكية في منتصف خمسينيات القرن العشرين خدمات محمولة على الظهر، أي استخدام العربات المستوية لحمل عربات النقل المقطورة المعبأة بالبضائع. ولقد جذبت خدمات الشحن المحمولة على الظهر الكثير من البضائع لعمليات الشحن، نظرًا لأن قطارًا واحدًا يمكنه جر أعداد كبيرة من عربات النقل المقطورة بتكلفة منخفضة لاتُقارن بالتكلفة العالية المطلوبة لسحبها، وجر كل مقطورة بمفردها على الطريق. وفي هذه الأيام، تحمل السكك الحديدية في الولايات المتحدة الأمريكية سنويًا مئات الألوف من عربات النقل المقطورة. ولهذا، فقد كسبت السكك الحديدية مجددًا جزءًا من الأعمال التي كانت قد تركتها من قبل لشركات النقل الأخرى. ويوجد نوع آخر من خدمات التحميل حيث تُستخدم عربات مسطَّحة لسحب حاويات ضخمة مملوءة بالبضائع. وتُنقل الحاويات المقطورة إلى عربات الشحن المسطَّحة من ظهر سفن أو حتى من شاحنات مصممة خصِّيصًا لهذا الغرض.
في المملكة المتحدة، يتم تحميل حاويات نقل على قطارات خطوط شحن تعمل بين محطات طرفية محدودة، وتنتقل الحاويات من المحطة وإليها على الطريق. وتُبنى الكثيرُ من الحاويات بطريقة خاصة لتلائم نوعية البضائع. ويمكن إرسال البضائع الصغيرة الحجم بالقطار إما باستخدام قطارات الركاب السريعة أو باستخدام قطارات خاصة بالطرود. وتحمل قطارات الركاب البريد، أو يتم حمل البريد في قطارات خاصة تعاقدت عليها هيئة البريد. ويقوم موظفو هيئة البريد في الغالب بتعبئة البريد وتفريغه بأنفسهم، كما يقوم الموظفون بعملية الفرز أثناء السفر. وتمتلك هيئة البريد في لندن خط سكة حديدية تحت الأرض خاصًا بها يعمل بطريقة آلية.
مكونات السكك الحديدية
تتكون السكة الحديدية أساسًا من خطوط تسحب القاطرات على امتدادها عربات القطارات (عربات الركاب وعربات الشحن). وتُصنع خطوط السكك الحديدية من قضيبين مصنوعين من الفولاذ مثبتين على امتداد الخط، فوق سلسلة من الراقدات الخشبية أو الخرسانية. ويتم تصميم أجزاء العجلات والمحاور في القاطرات والعربات بأسلوب خاص يسمح لها بالانزلاق على خطوط السكة الحديدية، فكل عجلة من عجلات القاطرات والعربات ذات شفّة (طوق أو إطار) حول حافتها الداخلية. ووجود الشفاه على كل زوج من العجلات، يعمل على توجيه العجلات على طول امتداد قضبان السكة الحديدية. وتستخدم القطارات المحوِّلات لتحويل مسارها من خط سكة حديدية إلى خط آخر، وتُعرف نقط التحويل أيضًا باسم مفاتيح التحويلة. وتتكون المحوِّلات من خط سكة حديدية قصير يتحرك في موضعه عند نقط تقاطع خط السكة الحديدية، ومن أشهر أنواع المحوِّلات المفتاح المشقوق المثبت عند بداية التحويلة. والتحويلة مقطع منحنٍ من السكك الحديدية تسمح للقطار أن يغادر من خط سكة معينة والاستمرار في الحركة أو السفر على خط سكة أخرى. وتُشغِّل المحوِّلاتِ محرِّكاتٌ كهربائية يتم التحكّم فيها من صناديق الإشارات.
US-style railroad truck with journal bearings.
لكن السكك الحديدية ليست مجرد الملامح الرئيسية المذكورة من خطوط وقاطرات وعربات، بل إنها تشمل أيضًا مكونات أخرى، مثل نظم الإشارات المتحكمة في حركة القطارات، ومحطات التعامل مع الركاب والبضائع، والساحات اللازمة لتجهيز القطارات وإعدادها، والورش الضرورية لصيانة القاطرات والعربات وإعدادها. وتشمل السكك الحديدية أيضًا كثيرًا من العاملين الذين يقومون بالمئات من الأعمال المختلفة التي تتراوح بين تسيير القطارات وإعداد خطوط السكك الحديدية وإصلاحها وصيانتها .
جهاز السير
يناقش هذا الجزء جهاز السير لدى السكك الحديدية أي القاطرات والعربات، ويصف كذلك كيفية مد قضبان السكك الحديدية وتخطيط طرقها.
V43, a common Hungarian electric locomotive used in passenger train service.
القاطرات تجر معظم القطارات. وتكون القاطرات في معظم الحالات في مقدمة القطار، ويمكن في بعض الحالات للقاطرات أن تدفع القطارات من الخلف إضافة إلى جرِّها. وتُعَدُّ القاطرات التي يمكنها دفع القطارات أو سحبها مفيدة، خاصة للاستخدام على خطوط الضواحي حيث تنتفي عندئذ الحاجة إلى دوران القطار للقيام برحلة العودة عند نهاية رحلة الذهاب.
ُتقسَّم القاطرات إلى مجموعتين أساسيتين، اعتمادًا على طبيعة عملها، هما: قاطرات الطريق وتمثل قاطرات الشحن أو الركاب، وقاطرات المناورة وهي القاطرات التي تحرك العربات من خط سكة حديدية إلى خط آخر في ساحات فرز السكك الحديدية.
وتُقسّم أغلبُ القاطرات أيضًا إلى ثلاث مجموعات طبقًا لكيفية إمدادها بالطاقة.
* أولاً: قاطرات الديزل الكهربائية وهي القاطرات التي تستخدم محركات حرق الديزل، حيث تحرك نواتج الاحتراق مولدات كهربائية، وتدفع القدرة الكهربائية الناتجة نظامًا آليًا في القاطرات لتحرك عجلاتها.
* ثانيًا: القاطرات الكهربائية وهي قاطرات تعمل بصورة مقاربة لقاطرات الديزل الكهربائية، ولكنها لاتنتج قدرتها الكهربائية بل تحصل عليها من أسلاك معلقة فوق الخط أو من قضيب حديدي ثالث مكهرب. ثالثًا: قاطرات البخار وهي القاطرات التي تقوم بحرق الفحم الحجري أو الوقود الزيتي لإنتاج البخار، وتقدم قوة البخار القدرة اللازمة لحركة القاطرات.
يوجد عدد محدود من القطارات التي تستمد قدرتها من نوعين آخرين من القاطرات وهما:
1- قاطرات كهرباء التوربينات الغازية. تستَخْدم هذه القاطرات القوة المتولدة من الغازات الساخنة في دفع التوربينات، وتشغل التوربينات بدورها المولدات الكهربائية. وكما في قاطرات الديزل الكهربائية، فإن الكهرباء الناتجة تشغِّل نظام آلية الحركة في القاطرة.
قطارات المسافات الطويلة
Interior of a passenger car in a long-distance train in Finland
2- قاطرات الديزل ـ الهيدروليكية تستخدم محرِّكات الديزل لإنتاج الطاقة التي تنتقل إلى نظام آلية الدفع في القطار من خلال المائع الموجود فيها تحت ضغط. تعمل السكك الحديدية، في معظم الدول الصناعية، بقاطرات نظامي الديزل ـ كهرباء، والكهرباء، بينما لاتزال تُستخدم قاطرات البخار في الصين و الهند وعدد قليل من الدول الأخرى.
عربات الركاب وعربات الشَّحن. تحمل الأولى الركاب وتحمل الثانية البضائع، ولكل عربة من العربات مِقْرَنة مثبتة في كلا طرفي العربة، وتُستخدم المقْرَنة في وصل العربات معًا. كما يوجد أيضًا في عربات السكك الحديدية فرامل هوائية، وتتصل الفرامل أيضًا بجزء التحكم الرئيسي في القاطرة. تتكون العربات، في معظم قاطرات الركاب، أساسًا من عربات جلوس. وتحتوي أغلب عربات الجلوس في القطارات على عدد من المقاعد يكفي لعدد من الركاب يتراوح بين 50 و90 مسافرًا. وبعض عربات الركاب، في بعض القطارات، ذات طابقين، وهي تتسع لعدد يتراوح بين 150 و170 مسافرًا. وتتوافر في بعض عربات قطارات الركاب مناضدُ لعب الورق وخدمة مرطِّبات وخدمات أخرى. وهذه الأشياء في الغالب لاتكون متوافرة داخل عربات الركاب. ويوجد في بعض قطارات الركاب عربات أخرى مثل، عربات الأمتعة وعربات الطعام وعربات النوم.
تختلف عربات الشحن في الشكل والحجم طبقًا لنوعية المواد المصممة لحملها، وهي تتراوح بين عربات صندوقية مصممة لحمل البضائع العامة، وعربات مصمَّمة خصيصًا لنقل السيارات الجديدة. وتشبه أشكال العديد من عربات الشحن الحديثة في السكك الحديدية إلى حد بعيد الأنماط القديمة من العربات، ولكن مع إعادة التصميم، لكي تستطيع حمل أنواع مختلفة من الشحنات.
تحسَّنت وسائل الأمان في السكك الحديدية كثيرًا، على مر السنين، ويتمثل أحد أهم هذه التحسينات في تخفيض الخطر الناتج عن السخونة الزائدة في صناديق المحور، ففي العربات القديمة كانت نهاية كل محور عجلةٍ تتحرك على أجسام صلبة موضوعة في صناديق المحور، ويمكن أن ترتفع درجة حرارة الصندوق عند عدم توفر مادة التشحيم، فيصبح صندوق المحور عندئذ صندوقًا ساخنًا، ويمكن للصندوق الساخن بدوره أن يحرق نهاية محور العجلة، وهذا يسبب إخراج القطار عن الخط. وتستخدم عربات السكك الحديدية الحديثة كرسي تحميلٍ بدلاً من الأجسام الجامدة عند نهاية محور العجلات، وقللت هذه الطريقة من عدد الصناديق الساخنة. وقامت السكك الحديدية أيضًا بتثبيت معدات إلكترونية تُعرف باسم كواشف الصناديق الساخنة عند نقاط مختلفة على طول خطوط السكك الحديدية. وعندما يمر القطار بها تكشف المعدات عن وجود أي صندوق ساخن، وتنقل هذه المعلومة كهربائيًا إلى مركز الإشارات. وعندئذ يتعامل الفنيون في مركز الإشارات مع هذه المعلومات بإرسال فريق عمل لإزالة العربات ذات الصناديق الساخنة من القطار.
Japanese Shinkansen 500 Series (High-speed rail)
Russian Velaro high speed passenger train (a form of multiple unit)
عربات السكة الحديدية عربات مجهزة بوحدات طاقة خاصة بها مبنية داخل الجدار. ونظرًا لأن هذه العربات ُتولَّد قدرتها ذاتيًا، فإنها لاتحتاج إلى قاطرة لسحبها أو دفعها. ويمكن أن تكون عربة السكة الحديدية من نوع الديزل الكهربائي، أو الكهربائي، أو كهربائي التوربينات الغازية.
وتُجهَّز بعض عربات السكة الحديدية لنقل الركاب، فهي تحتوي على مقاعد ونوافذ خلف وحدة الطاقة. وبعض عربات السكة الحديدية تجر خلفها عربة ركاب واحدة أو أكثر .. وهكذا، فإنها تكون قطارات عربات ركاب، ومن أفضل الأمثلة على عربات السكة الحديدية خطوط الأنفاق والقطارات الكهربائية التي تجري بين مدينتي نيويورك وواشنطن العاصمة في الولايات المتحدة الأمريكية. ومن الأمثلة الأخرى المشهورة، الخطوط العاملة في منطقة الميناء في لندن، وهي خطوط تامة الآلية، وتعمل هذه الخطوط بين لندن ومنطقة أحواض السفن، وهي منطقة طوِّرت حديثًا، ولقد افتتح هذا الخط عام 1987م.
لقد صُمّمَتْ بعض عربات السكة الحديدية بحيث تكون ذاتية الدفع لاستخدامها في صيانة خطوط السكك الحديدية. وتجُهّز كل واحدة من هذه العربات لتقوم بعمل محدّد على طول خطوط السكة الحديدية. وعلى سبيل المثال، تحتوي بعض هذه العربات على آلات لفحص الخط الحديدي، أو آلات لصيانة الخطوط. وتحمل بعض عربات السكة الحديدية أجهزة معينة لأعمال محددة مثل إزالة الثلوج أو اقتلاع الحشائش وإزالتها.
عجلات القطار وخطوط السكك الحديدية. تركب القطارات على عجلات ذات شفة. والشفة إطار على الحافة الداخلية للعجلات. تقوم الشفة بتوجيه العجلة على امتداد خط السكك الحديدية. وتتكون خطوط السكك الحديدية من قضبين مثبتين على راقدات وتثبت القضبان على الراقدات بمسمار فلزي كبير محزز، وتعمل هذه المسامير على تثيت القضبان في مكانها. وتثبت الراقدات في طبقة الرضراض (زلط أو حجارة مكسرة).
الخطوط
تُكوّن القضبان الحديدية والراقدات خطوط السكك الحديدية. وتُوضعُ القضبان الحديدية والراقدات على طبقة الطريق، وهي أرض تم إعدادها لتكون أساسًا للخطوط. وتتبع طبقة الطريق السكة أو الطريق المخطط للسكة الحديدية أن تسلكها. وتصل سكك الخط الرئيسي المدن الرئيسية والكبيرة معًا. أما الخطوط الفرعية فهي تمتد بين الخطوط الرئيسية وأماكن متفرقة لا تصل إليها خدمات الخطوط الرئيسية، ومن أمثلة الأماكن التي تخدمها الخطوط الفرعية المدن الصغيرة والضواحي والمناطق الصناعية. وتتكون معظم الخطوط الرئيسية من خطين أو ثلاثة خطوط موضوعة بعضها بجانب بعض. وتسمح الخطوط المتعددة للقطارات بالسفر والحركة في اتجاهين متضادين في الوقت نفسه. ولابد أن تُجهز خطوط السكة الحديدية وحيدة الخط بقضبان جانبية عند نقط متعددة على طول السكة. والقضبان الجانبية هي وصلة سكة حديدية قصيرة تجري بجانب الخط الرئيسي أو الخط المتفرع، ويمكن لأحد القطارين المتقابلين أن ينتقل لنقطة انزلاق حتى يمر القطار الآخر.
Caile Ferate Romane diesel railcar in Gara de Nord station
ويطلق أحيانًا على المسار وطبقة الطريق بالإضافة إلى أشياء أخرى متعلقة بالسكك الحديدية كالأنفاق والجسور يطلق عليها الطريق الدائم. بالإضافة إلى ذلك، يكون للسكك الحديدية مساحة معينة من الأرض على جانبي الطريق الدائم كليهما. وتؤلف كل من هذه المساحة المعينة والطريق الدائم ما يسمى بأحقية المرور.
قضبان السكك الحديدية والراقدات. تُوضع الراقدات على مسافات منتظمة يفصل كل واحدة منها عن الأخرى 53سم تقريبًا، ويبلغ عدد الراقدات في طول قدره كيلومتر1,900 راقدة. ويوضع لوحان من الفولاذ، يُطلق عليهما مثبِّتان، إلى قمة كل راقدة، ويُثبت كل لوح بالقرب من كل طرف من الراقدة. ويوجد في لوح التثبيت جزء أو مجرى مشكّل بطريقة تجعله يمسك قاع قضبان السكك الحديدية. وتساعد الحزات والمسامير الكبيرة والمشبوكة إلى قاع خط السكة الحديدية في المحافظة على القضبان الحديدية مثبتة بشدة في الراقدات.
رافعة ترفع كامل مقاطع خطوط السكك الحديدية وتضعها في موقعها، وبخاصة عند الحاجة إلى وضع قضبان السكك الحديدية ومقاطع أخرى معقدة في موقعها.
ويجب أن يكون لوحا التثبيت على نفس المسافة من كل راقدة، وهكذا يمكنهما مسك قضبان السكك الحديدية على المسافة نفسها على طول مسار السكة الحديدية. ويطلق على هذه المسافة المنتظمة بين قضيبي السكة الحديدية اسم محدِّد قياسي. ولكل سكة حديدية في كل دولة محدد قياسي معياري وذلك لجميع الخطوط الرئيسية فيها. وتستخدم معظم دول العالم محدد القياس المعياري نفسه لمعظم خطوطها الحديدية الفرعية أوكلها، وهكذا يمكن لأي قطار أن يسير تقريبًا على أي خط من خطوط السكك الحديدية في الدولة بكاملها. لكن يختلف محدد القياس المعياري من دولة لدولة أخرى. ويبلغ محدد القياس المعياري لخطوط السكة الحديدية في أستراليا ونيوزيلندا ومعظم الدول الأوروبية أربعة أقدام وثماني بوصات ونصف البوصة (1,435م). وتستخدم في الهند وغيرها ثلاثة محددات قياسية معيارية هي العريضة والمترية والضيقة.
طبقة الطريق والسكة يستخدم المهندسون في بنائها معدات خاصة وآلات مناسبة لجعل الطريق أملس ومستويًا قدر المستطاع، ويُطلق على هذه العملية اسم التدريج، وتُغطَّى معظم طبقات الطريق بطبقة من الرضراض، والرضراض هو الحصى أو الحجارة المكسرة. ويساعد الرضراض في احتفاظ الراقدات بمواضعها، وبالتالي يساعد في ثبات خطوط السكة الحديدية. كما يساعد الرضراض أيضًا في توزيع وزن القطارات المارة على كامل الطريق ويمنحها درجة من تلطيف الحركة، وهكذا يكون ركوب القطار غير مزعج مقارنة بالوضع عندما تكون الأرض عارية دون رضراض. ويساعد الرضراض على صرف مياه الأمطار وتصفيتها، كما أنه يُبطئ نمو الحشائش على طول الطريق.
قبل البدء في إنشاء طبقة طريق السكة الحديدية، يخطط المهندسون مسار السكة مع الأخذ في الاعتبار وجود أقل قدر ممكن من التدرُّجات و الانحناءات، ويشير مصطلح التدرج أو الميل إلى شدة انحدار الأرض، بينما يدل مصطلح الانحناء على عدد الانحناءات ودرجتها على طول السكة. ويقع خط السكة الحديدية المثالي عبر أرض تامة الاستواء. وتحتوي خطوط السكة الحديدية في هذه الحالة على عدد قليل من التدرُّجات والانحناءات أو ربما لايوجد أي منهما على الإطلاق. وتستطيع قطارات الشحن في هذه الحالة حمل أحمال ثقيلة بدون أية صعوبات، كما يمكن لقطارات الركاب السفر بسرعات عالية. ولكن من جهة أخرى تمنع المنحدرات الحادة القطار من حمل أحمال ثقيلة أو السير بسرعات عالية. وإذا مرت خطوط السكة الحديدية عبر مناطق بها مرتفعات أو في مناطق جبلية، فلابد أن يضع المهندسون الخطوط حول التدرجات الحادة بدلاً من وضع الخطوط فوقها. وهكذا يحتوي خط السكة الحديدية في هذه الحالة على الكثير من التقوُّسات. ويقلل وجود الانحناءات من سرعة القطار، ولكنه لايمنعه من حمل أحمال ثقيلة.
The Chennai MRTS, India: one of the most advanced rail networks in the world
A CityTrain SMU (Suburban Multiple Unit) operating on the suburban rail network in Brisbane, Queensland, Australia
Interior of a 6-door passenger car in Japan, when the bench seats are folded
وقد تتطلب السكة الحديدية عبر المناطق الجبلية وجود الكثير من الانحناءات، وبهذا يكون السفر على طول هذه السكة بطيئًا للغاية. ويقوم المهندسون في الغالب ببناء أنفاق للسكك الحديدية خلال بعض الجبال، وبناء الجسور لتمتد فوق بعض الوديان شديدة العمق. كما تُبْنى أيضًا الأنفاق وتُنشأ الجسور لمدِّ السكك فوق الأنهار وبعض الأجسام المائية الأخرى أو تحتها.
عمليات الشحن
يتم تجميع قطارات الشحن في ساحات فرز عند نهايات سكك حديدية متنوعة. ويمكن أن تحتوي المواقف في الساحات على تسهيلات لتحميل عربات الشحن وتفريغها، بالإضافة إلى وجود معدات لصيانة القاطرات والعربات وإعدادها. وبعد وصول مركبات الشحن إلى ساحة الفرز، تُقسَّم إلى مجموعات طبقًا للمواقع المتجهة إليها. ولابد أن تكون مركبات كل مجموعة ذات وجهة واحدة على الطريق نفسه أو على التفرعات الخارجية من هذه السكة. وعند توصيل القاطرة إلى مجموعة العربات، تصبح هذه الوحدة قطارشحن. والعربات المتجهة إلى ناحية خارج السكة الأساسية لابد أن تُفْصل من القطار الرئيسي عند نقطة التبادل، وتُربط إلى قطارات أخرى متجهة إلى تلك الناحية.
كانت تواجه قطارات الشحن في الماضي، بصفة دورية، تأخيرات طويلة في ساحات الفرز. كما كانت تتأخر أيضًا في نقاط التبادل. ونقاط التبادل هي نقاط التقاء خطوط سكك حديدية يتم عندها تبادل مواقع عربات الشحن وتغييرها من إحدى السكك الحديدية إلى سكة أخرى. وإضافة إلى تأخيرات قطارات الشحن، فلقد واجهت السكك الحديدية في كثير من الحالات صعوبة في الاحتفاظ بمعرفة وضع العربات التي تم تغييرها وتعديل مسارها عدة مرات.
لقد طوَّرت السكك الحديدية ثلاث طرق مختلفة للتعامل مع الشحنات والقطارات للتغلب على مشاكل عمليات الشحن والإسراع فيها.
* أولاً: تحديث ساحات الفرز وتطويرها،
* ثانيًا: تبسيط الأعمال إلى حد كبير عند نقاط التبادل،
* ثالثًا: تطوير نظم حسابية باستخدام الحاسوب لتخطيط عمليات الشحن والتبادل ومتابعتها، وتُعَدُّ هذه أهم التحسينات في عمليات الشحن. ومن أمثلة التحسينات في عمليات الشحن، قيام الحاسوب برسم خطة رحلة محدودة لكل عربة من عربات الشحن. وعندما تتحرك العربة من موقعها الأصلي في أحد قطارات الشحن إلى الجهة المرسلة إليها تتم مراجعة خطتها عند ساحات الفرز للتأكد من أن عربة الشحن المعنية تتحرك طبقًا للخطة الموضوعة لها. وفي هذه الحالة يمكن لكل من شاحن العربة ومستقبلها أن يتلقيا بيانات واضحة عن الموعد المتوقع للتسليم.
كيفية تجميع قطارات البضائع
تجمّع قطارات البضائع في ساحات فرز مكوّنة أساسًا من مجموعات متوازية من خطوط السكك الحديدية. وكل خط للسكك الحديدية يحتفظ به لعربات البضائع التي ستلحق بقطار معين. ومعظم ساحات الفرز الكبيرة هي ساحات الحدبة التي تستخدم تلة منخفضة أو حدبة لفرز العربات على الخطوط الصحيحة.
التحكم في المرور
تستخدم السكك الحديدية نظام الإشارات وسبلاً أخرى للتحكم في سير القطارات ومرورها. والهدف الرئيسي من التحكم في المرور هو منع وقوع الحوادث، كما أن التحكم في المرور يساعد أيضًا في الإسراع في عمليات تشغيل السكة الحديدية ورفع كفاءتها.
وتتكون معظم إشارات مرور السكك الحديدية من أضواء ملوّنة مثبّتة بجانب خطوط السكك الحديدية أو أعلاها، ولكل لون دلالة، فمثلاً اللون الأحمر يعني قف والأخضر استمر.
وتُسْتخدمُ في بعض مواقع السكك الحديدية، إشارات السيمافور (أي مُلوّحة أو أُنصوبة) بدلاً من الإشارات الضوئية. والسيمافور ذراع قوي فوق سارية مرتفعة. وكل موضع من مواضع ذراع السيمافور دلالة على إشارة معينة تناظر الإشارات الضوئية الملونة.
وتبنت معظم السكك الحديدية بعض صور نظام إشارات الكتلة. وقد صُمِّم هذا النظام للاحتفاظ بمسافة آمنة بين القطارات المسافرة على الخط الحديدي نفسه. وفي نظام إشارات الكتلة، يقسم خط السكة الحديدية إلى أطوال محددة على امتداد خط السكة تُسمى كل واحدة منها كتلة. ويجب ألا يكون هناك أكثر من قطار واحد في الوقت نفسه داخل الكتلة، وتتحكم إشارات المرور في الدخول إلى أي كتلة. وعندما يوجد قطار في كتلة ما، فإن الإشارات تحذر القطارات القادمة لكي تتوقف. ولايمكن لأي قطار التقدم من كتلة إلى كتلة أخرى إلا عند ظهور إشارة واضحة تسمح بإمكانية الدخول إلى الكتلة التالية. ويمكن أن تعمل إشارات الكتلة يدويًا أو آليًا.
أنظمة إشارة الكتلة اليدوية
تتطلب هذه الأنظمة وجود مشغلين عند نقاط مختلفة على طول خط السكة لتنظيم الإشارات والتحكم فيها. وكل مشغل مسؤول عن تحريك القطارات في كتلة واحدة أو كتلتين، ولابد أن يخبر المشغلين الآخرين، إما هاتفيًا أو برقيًا، عن وضع الكتل التي تحت إمرته إذا كانت مشغولة أو خالية. ويصعب إلى حد بعيد الاعتماد على أنظمة إشارة الكتلة اليدوية نظرًا لحدوث الأخطاء البشرية التي قد تُؤدّي أحيانًا إلى وقوع حوادث، وتفضلها كثيرًا نظم التحكّم الآلية في الكتل.
يُستخدم في بعض أنظمة إشارة الكتلة اليدوية تَحكُّم التوشيج، وتحكم التوشيج هو مجموعة من الإشارات عند بداية كل كتلة تتصل كهربائيًا مع مجموعة إشارات تحكم الكتلة التالية لها. وتصل أيضًا تحكُّمات التوشيج إشارات الكتلة بجميع إشارات التحكم الأخرى ومفاتيحها الموجودة في الكتلة نفسها، ومن الأمثلة على ذلك وصلات إشارات المرور الموجودة عند الملتقيات والتفرعات المتصلة بكتلة معينة. وعندما تحُذّر إشارات الكتلة من وجود قطار في الكتلة التالية، فإن جميع الإشارات والمفاتيح المتصلة بها تقفل آليًا وتكون في صورة تحذير، ولايمكن للقطارات التحرك من مواقعها حتى تُظِهر إشارات الكتلة إشارة الأمان. وتقلل نظم تحكم التوشيج إلى حد بعيد من مخاطر الأخطاء البشرية.
نظمة إشارة الكتلة الآلية
تعمل إشارات المرور في أنظمة إشارات الكتلة الآلية بالتيار الكهربائي بأسلوب دائرة الخط. وتنساب دائرة الخط خلال قضبان السكة الحديدية، ويقصِّر القطار الداخل إلى الكتلة الدائرة الكهربائية مؤديًا إلى ظهور الإشارات التي تحرس الكتلة باللون الأحمر. وتتحول الإشارة، بمجرد مغادرة القطار الكتلة، إلى اللون الأخضر أي إشارة الأمان. وتعمل معظم أنظمة إشارة الكتلة الآلية من خلال تحكم التوشيج.
ويُطلق على الإشارات المتقدمة اسم التحكم المركزي في المرور. ويستفيد نظام إشارات الكتلة الآلية من نظام التحكم المركزي في المرور في تنظيم حركة القطارات التي يلي كل منها الآخر، والتي تكون موجودة على خط السكة نفسه. لكن تتحكم في جميع الإشارات الأخرى على الخط محطة التحكم المركزية. ولكل محطة تحكم مركزية رسم بياني كهربائي واحد أو أكثر يُوضّح عليه الموضع الحالي لكل قطار على الخط. ويدرس التحكم المركزي في المرور الرسوم التخطيطية لتقرير كيفية عمل سكك للقطارات بطريقة آمنة وبكفاءة عالية قدر المستطاع. ويوجِّه مشغلو مرور القطارات بضبط وضع الإشارات الضرورية والمحوِّلات. ويمكن من خلال التحكم المركزي في مرور القطارات أن تتخلص معظم السكك الحديدية من الخطوط المتعددة، وتَستخدم بدلاً منها فقط خطوطًا مفردة. وفي حالة وجود قطارين يتجه كل منهما ناحية الآخر على الخط نفسه، يحرك مشغلو التحكم المركزي في المرور واحدًا من هذين القطارين إلى طريق جانبي حتى يمر القطار الآخر. ويستفيد نظام التحكم المركزي في المرور من نظام تحكم التوشيج.
نظام الحاسوب يساعد مشغل القطارات في أن يلاحظ بدقة حركة القطارات. ويستخدم المشغل النظام لوضع الإشارات والتحويلات بحيث يمكن للقطار أن يسافر بسرعة وبأمان قدر المستطاع إلى الجهة المقصودة.
نظم تحكُّم أخرى في القطارات
إضافة إلى نظام الإشارات الضوئية الموجودة على طول خط السكة الحديدية، يوجد لدى بعض السكك الحديدية أنظمة إشارات في القاطرات، وهي تعطي الإشارات نفسها الموجودة على طول الطريق على لوحات في القاطرات. ويمكن للإشارات الموجودة في القاطرات أن ُتْربَط مع معدات في القاطرات وتعمل معها. ومن معدات الأمان نظام التوقف الآلي للقطار، ويشغل نظام التوقف الآلي للقطار فرامل (مكابح) القطار بصورة آلية إذا فشل السائق في ملاحظة إشارة التوقف. ومن معدات السلامة الأخرى التحكم الآلي في القطار الذي يتحكم بصورة آلية في سرعة القطار. وإذا فشل السائق في ملاحظة إشارة تحذير حدود السرعة فإن نظام التحكم الآلي في القطار يشغِّل الفرامل آليًا لتخفيض سرعة القطار إلى السرعة المطلوبة، ويقوم هذا النظام أيضًا بإيقاف القطار إذا لزم الأمر.
تستخدم كثير من السكك الحديدية أنظمة اتصال متقدمة للمساعدة في التحكم في حركة القطارات على طول الطريق. ويسمح وجود لاسلكي مزدوج في القطارات لأعضاء طاقم القطار بالاتصال بين طرفي القطار، كما تساعد أنظمة اللاسلكيّ المزدوج القوية القطار في الاتصال بساحات القطارات البعيدة وكذلك بالمحطات.
