O projektowaniu dróg, czyli co każdy początkujący rajdowiec powinien wiedzieć

Zamiast tego postaram się opisać w przystępny sposób podstawowe zasady projektowania infrastruktury liniowej (kolej, tramwaj, droga kołowa). Oprócz niebywałego potencjału w postaci bezużytecznej wiedzy do rozmowy przy piwie informacje te mogą przełożyć się w bezpośredni sposób na bezpieczeństwo poruszania się po drogach publicznych naszymi Passatami i Golfami. Dopóki poruszamy się w sposób zgodny z przepisami po strefie zabudowanej, nie zastanawiamy się nad takimi pojęciami jak geometria drogi czy siła odśrodkowa, jednak w sytuacji, gdy chcemy pokazać, że z silnikiem o pojemności 1.4 l nie ma żartów, lub po prostu, gdy jedziemy po oblodzonej drodze górskiej, wiedza z zakresu projektowania dróg może znaczyć prawie tyle samo, co dobre opony.
Ogólnie rzecz biorąc geometria w planie (to co widzimy, patrząc na mapę) składa się z prostych, łuków kołowych i krzywych przejściowych.



Proste (jako naród najbardziej kochamy te długie) są z założenia najlepszym rozwiązaniem do pokonywania odległości. Projektując nową drogę (lub linię kolejową) rozpoczynamy od wrysowania możliwie dużej ich ilości. Powstaje w ten sposób linia łamana, na której pomiędzy poszczególnymi prostymi (stycznymi) będziemy wpisywać odpowiednie łuki kołowe na zasadach ściśle wynikających z reguł geometrii wykreślnej oraz analitycznej (pozdrowienia dla wszystkich, którzy uważają, że matematyka nie jest nam potrzebna w edukacji).

Łuk kołowy to element krzywoliniowy posiadający stały promień (mówimy o zakresie od 50 do 10 000 m dla dróg poza miastem). Na łuk wjeżdżamy i wyjeżdżamy po stycznej, więc teoretycznie bez obawy, że coś złego może się wydarzyć. Niestety, w tym momencie do głosu dochodzi siła odśrodkowa (nie jest to prawdziwa siła, tylko wypadkowa wynikająca z zachowania zasad dynamiki, ale to wiemy ze szkoły), która „chce wyrzucić” pojazd z łuku na zewnątrz. Jedynym czynnikiem utrzymującym pojazd we właściwym torze jazdy jest tarcie na styku koło – nawierzchnia. Oczywiście „kręcenie kierownicą” warunkuje nadanie kierunku ruchu, ale to siła tarcia o nawierzchnię pozwala nam zostać na drodze (fizycy - błagam, nie piszcie jeszcze komentarzy). Powierzchnia styku koło – nawierzchnia jest stała. W czasie jazdy po prostej jest ona w całości odpowiedzialna za utrzymanie toru jazdy na wprost (dlatego po lodzie można jechać prawie bez problemu na wprost). W czasie jazdy po łuku część z tej siły musi zostać „zmarnowana” na niwelowanie siły odśrodkowej. W efekcie, kiedy bez zmiany prędkości wjeżdżamy na łuk przy złych warunkach pogodowych, możemy śmiało liczyć na poślizg zarówno w kierunku ruchu, jak i w poprzek (ślizgamy się we wszystkie strony). Tu ważna dygresja: jeżeli zaczniemy hamować lub przyspieszać (przyłożymy siłę zgodną z kierunkiem jazdy) na łuku, zmarnujemy ostatnie zapasy siły tarcia (przyczepności) i w efekcie wpadniemy w poślizg. Innymi słowy, jeżeli jeździsz po śliskim, to albo ZAWSZE zwalniaj na prostej przed łukiem, albo trenuj stalowe jaja i trzymaj cały czas taki sam (lekki) gaz, co na prostej (jasne jest chyba, która z opcji jest bezpieczniejsza). Tyle w zakresie technik bezpiecznej jazdy. Materiał w tym temacie opiewa na kilka artykułów.
Powyżej opisany problem z łukiem znalazł oczywiście prawie idealne rozwiązanie techniczne (patrz pierwszy obrazek). Na wszystkich łukach o promieniu mniejszym niż 5000 m niebędących elementem skrzyżowania stosujemy przechyłkę. Jest to znany znakomitej większości kierowców jednolity spadek jezdni w kierunku do środka łuku.


Dzięki przechyłce wektor siły odśrodkowej skierowany na zewnątrz łuku spotyka się wektorem do środka wygenerowanym przez siłę ciążenia na pochyłości. Nie ma sensu tłumaczyć tutaj całego modelu fizycznego. Dla wytrwałych czytelników podaję w źródłach rozporządzenia, w których można znaleźć odpowiednie wzory i parametry. Generalna zasada brzmi: im mniejszy promień łuku i większa prędkość (większa siła odśrodkowa), tym większa (bardziej stroma) powinna być przechyłka. Oczywiście mamy tutaj wartość graniczną, powyżej której ciężarówki bądź wagony zatrzymane na łuku przy silnym wietrze mogłyby się przewrócić do środka… Sytuacją idealną jest stan równowagi nazwany przechyłką ekwiwalentną. Brzmi to mniej więcej tak: wjeżdżając na łuk ze ściśle określoną prędkością, przy założeniu obliczeniowego rozstawu kół po idealnej nawierzchni, powinniśmy przejechać przez niego prawie nie używając kierownicy i nie czując żadnych sił na zewnątrz lub do wewnątrz. Tyle w teorii. W praktyce działa to na wydzielonych liniach kolei dużych prędkości, na drogach kołowych cóż… Prawie zawsze spotkamy się z niedomiarem przechyłki, czyli wyrzucaniem na zewnątrz. Tutaj kolejna dygresja: Poza strefą zabudowaną można w większości w miarę bezpiecznie przekroczyć prędkość na suchej i czystej nawierzchni o 20 – 30 km/h (oczywiście nie polecam), natomiast przekraczanie prędkości nawet o 10 km/h na jezdni śliskiej i w dodatku zanieczyszczonej jest jednym z wielu szczytów głupoty. Ograniczenia prędkości poza miastem podają maksymalną bezpieczną prędkość na mokrej, ale czystej nawierzchni, wynikającą z projektowania. Jest tam niby jakiś współczynnik bezpieczeństwa, ale zazwyczaj jest on zarezerwowany na niedoskonałości pojazdu, liść lub dziurę na asfalcie i błąd ludzki. Przekraczanie wartości projektowych należy zawsze porównywać do sytuacji, kiedy wjeżdżamy przeładowanym TIR-em na mostek z ograniczeniem nacisku do 2 ton. Nie, nie, nie i jeszcze raz nie.
Co bystrzejsi czytelnicy w trakcie lektury powyższych przydługich dywagacji na pewno zauważyli problem skokowego pojawienia się siły odśrodkowej na początku łuku oraz przejścia normalnego „płaskiego” przekroju drogi w przechyłkę.


Mamy tutaj trzeci i ostatni element układu liniowego: Krzywą przejściową. Geometrycznie jest to wycinek klotoidy, który ma zmienny promień po długości. Na początku ma krzywiznę (odwrotność promienia) równą 0 (prawie prosta). Potem krzywizna zmienia się w sposób płynny aż do osiągnięcia wartości 1/R.łuku_kołowego. Długość takiego elementu to zwykle koło 20-40 m. Jednocześnie po długości krzywej występuje rampa przechyłkowa, czyli płynna zmiana przekroju poprzecznego z „płaskiego” do docelowej przechyłki. Z polskiego na nasze, krzywa pozwala w sposób płynny przejść pomiędzy prostą i łukiem zarówno w pionie, jak i w poziomie, i w efekcie zminimalizować ryzyko poślizgu poprzez nagłe wystąpienie zmiany przyczepności.
W tym miejscu należy przerwać ze względu na objętość tekstu. Temat może zostać rozwinięty o osobne artykuły na temat projektowania układu w profilu (czyli dlaczego zakręt powinien być na górce, a nie na zboczu), projektowania nawierzchni (dlaczego robią się dziury) oraz jak wykorzystać nasze potężne 1.4 l żeby odstawić wszystkie Passaty na dwie długości, czyli technika bezpiecznej i dynamicznej jazdy).
Na koniec proszę wszystkich ekspertów z zakresu fizyki, drogownictwa oraz wiejskiego tuningu o wyrozumiałość. Wiem, że zrobiłem tu masę uproszczeń i skrótów w teorii, ale starałem się pisać w sposób przystępny i zrozumiały nawet dla posiadaczy BMW.

Źródła: 1, 2, 3