轨道的历史

说起轨道的历史，许多人会自然想起秦始皇的“车同轨，书同文，行同伦”，猜测在公元前两百多年的中原大地上是不是就已经有轨道了呢？

实际上，在《礼记·中庸》里所描述的“车同轨”应该理解为“车同规”更合适，这里的“轨”大致指的是“轨距”，也就是两个车轮间的距离，如果所有的马车轮距都相同，它们在道路上压出的印记也大致是一样宽，路上车走得多了，就会压出一条坚硬的轨迹来，车也就能跑得更快一些。从这个角度看，它与今天铁路轨道的原理是一样的。

传说这是留存下来的秦代古驿道，中间是两条车辙印

西方国家留存下来关于轨道的最早证据，是从罗马尼亚中部特兰西瓦尼亚16世纪煤矿遗址中找到的矿车和木轨。尽管它极其原始，但我们依然不难发现今天最先进铁路轨道系统的原理。

从罗马尼亚中部特兰西瓦尼亚煤矿出土的矿车

直到欧洲工业革命开始之前，轨道都是采用长的木材制成，这些木材宽约几英寸，在木轨道的下方，每隔两到三英尺会横向放置一段木头做枕木，枕木主要用来固定木轨，使其保持规定的宽度。其上方行驶的车轮也是木制的，那个时候人们还不能大规模地生产钢铁，铁是很贵的材料。

木质轨道很容易磨损，后来人们在它的表面贴上薄薄的长铁片，用钉子固定在轨道上，这样不仅能延长轨道使用寿命，还可以减少摩擦阻力，这便是最原始的铁轨。

早期覆盖在轨道上的铁片和道钉

铁轨的好处显而易见，但它同时也加快了木头车轮的磨损。18世纪中期人们将车轮换成铁轮子后又发现，木头的铁轨并不能很好地承重，它会被压弯，并且铁片会翘起来造成事故。加上炼铁技术的进步降低了铁的成本，于是在1767年木头轨道被换成了铸铁轨道。

1831年制造的铸铁轨道

上图1831年生产的铸铁轨道长约1.8米，呈鱼腹形，横断面是L形，这些设计都可以增加强度，轨道的两端可以固定在枕木上。用这种铸铁轨道铺成的铁路被称为“板式铁路”，它主要用于连接煤矿、铁矿和炼铁厂。

板式铁路比木头轨道进步了很多，但它的缺点也很明显：它的接头太多了，这些接头是最容易松脱的薄弱之处。随着铁冶炼技术的进步，人们需要一种更长的铁轨来取代板式铁路，于是在蒸汽机车出现后，由锻铁制造的带式铁轨开始取代老式的板式铁路。

萨拉曼卡机车，它是靠齿轮在板式铁轨上行驶的

五花八门的带式铁轨

钢轨并不是一步就发展到今天的样子，在带式铁轨出现后，工程师们陆续发明出各式各样的铁轨。

1831年，英国人发明了“法兰T形铁轨”并将其运用到宾夕法尼亚铁路上，期间英国人还发明出一种双头铁轨，当一面磨损后，还可以反过来再用。当然，T形铁轨下端很小，需要用专门的金属底座才能固定，这无疑增加了成本。

早期的T形铁轨和双头铁轨

1839年，用于连接英国伦敦和克罗伊登铁路的Vignoles铁轨是工字形的，它可以使用道钉很方便地固定在枕木上：

Vignoles铁轨

在1840年建设的伯明翰和格洛斯特铁路，Vignoles铁轨横截面变成了下图的样子，这可能是为了节约钢材。

另一种Vignoles铁轨

1849年，威廉·亨利·巴洛发明了Barlow轨道，它很简洁，可以比较方便地固定在枕木上，缺点是强度不高。

Barlow轨道的截面图

比铁轨更坚硬的钢轨在1857年被制造出来，相比于铁而言，钢是一种更坚固的材料，它的寿命更长，并且可以被制成更长的轨道。

在上面这些轨道被陆续发明和使用之后，钢轨逐渐演变成今天我们熟悉的形状。它有宽大而平整的底面，可以很方便地固定在枕木上；它的上端面有优良的圆弧过渡，可以与车轮的斜面很好贴合，这继承了Barlow轨道的优点；它是T形铁轨和“工”字形铁轨的结合，拥有优秀的机械结构强度；同时受益于材料学的进步，它在用钢量上做到了最节省。

1898年宾夕法尼亚铁路上使用的标准铁轨横截面

值得注意的是，尽管经历漫长的演变，铁轨的样子基本定形，但世界各国执行的标准各异，并且铁轨使用的场合不同，所以实际上很多铁路所铺设钢轨规格也是不尽相同的。比如说普通铁路、重载铁路和高速铁路所使用的钢轨在其形状上有些许区别，所采用的钢材也会不一样。

在美国和欧洲的一些城市，它们的有轨电车、地铁和轻轨会使用一种带法兰槽的“工”字形铁轨，以防止那些骑自行车的人陷入铁轨两侧的沟槽里。

带法兰槽的铁轨与标准铁轨的对比

这种带凹槽的铁轨并不适用于其它的标准铁路，因为槽里的积水会加速锈蚀，同时掉落其中的异物会造成列车颠簸，严重的还会引发脱轨事故。

为什么轮式列车要采用钢轨？

我们从对铁轨发展历史的分析已经知道，工字形钢轨是目前轮式列车最优的解决方案。它的强度更高、用料最省、价格便宜，也更方便生产、铺设与固定。

列车为了获得更大的速度，它首先需要克服地面对车轮的阻力，车轮与地面之间存在滑动摩擦与滚动摩擦，我们需要在利用滑动摩擦同时克服滚动摩擦。

当车轮与地面接触时，接触面积越大，其滚动时受到的阻力越大，我们从下面这张滚动受力分析图可以对滚动摩擦力有一个直观的了解：

从方形、12边形到圆的滚动受力情况

由上图我们可以看出，轮子受到的滚动阻力与它的重力G以及偏移量e相关，滚动阻力就是G·e。轮子与路面的刚性越大，e的长度就越小，滚动阻力就越小。反之，在车重不变的情况下，如果胎压不足，轮胎就会瘪下去一点，或路面比较软，O\'与瞬心O的距离e就越大，滚动阻力G·e就越大。钢轨与车轮都是硬度很高的钢，它们之间的接触面做到了最小，因此火车受到的滚动摩擦力也可以达到最小。感兴趣的朋友可以关注我，读我在6月份写的一篇关于滚动阻力的分析文章。

火车车轮在钢轨上的受力分析简图

总结：

包括高铁在内的轮式轨道车辆都需要在铁轨上运行，以最大限度地减少滚动阻力，这样可以用最少的能源来使列车获得最大的运载量和更快的速度。

在铁路上飞驰的复兴号列车

自轨道被发明以来至少经历了几百年的时间，在这几百年里，无论是车轮还是轨道都经过无数次的改进和革新，今天的铁轨就是几个世纪以来不断改进的结果。

在目前情况下，工字形（T字形）钢轨是铁路轨道的最优选择方案，只是根据铁路运输的目的不同，所采用轨道的规格与材料上会存在一些差异。随着科学技术的进步，相信钢轨也会更趋向成熟，但它的形状应该不会有太大的改变。

钢轨的端面