Когда поезд въезжает в тоннель, он вытесняет перед собой часть воздуха и сжимает её. Возникает волна повышенного давления, которая распространяется по тоннелю быстрее самого состава. У входа и рядом с порталом эту волну можно ощутить как короткий порыв или толчок воздуха. Сила эффекта зависит от скорости поезда, его размеров, формы портала и площади свободного пространства вокруг состава.
Поезд занимает место, где был воздух
Перед приближающимся поездом в тоннеле уже находится воздух. Когда головная часть состава пересекает портал, она занимает часть поперечного сечения прохода. Воздуху приходится уходить в оставшийся зазор между поездом и стенами, двигаться вдоль тоннеля и частично выходить наружу. Поток не успевает мгновенно перестроиться, поэтому около носа состава давление сначала повышается.
Поезд действует отчасти как поршень в цилиндре: движущееся тело проталкивает воздух по ограниченному каналу. Сравнение помогает представить направление эффекта, хотя тоннель не герметичен, а воздушные потоки в нём сложнее, чем в простом цилиндре. Чем меньше зазор между поездом и стенами, тем большую долю сечения занимает состав и тем сильнее приходится ускорять воздух.
Почему возникает не один порыв, а волна
Изменение давления не остаётся только у входа. Оно передаётся от слоя воздуха к слою в виде волны сжатия и движется по тоннелю со скоростью звука относительно самого воздуха. В обычных условиях эта скорость намного выше скорости поезда. Поэтому волна может достигнуть выходного портала задолго до того, как туда приедет состав.
Фронт волны похож на очень быстрое и небольшое изменение атмосферного давления. В коротком тоннеле он проходит путь быстро, а за поездом возникают дополнительные области разрежения и завихрения. По мере движения состава направление и величина потоков меняются: часть воздуха выбрасывается у одного портала, затем втягивается обратно или переносится вдоль состава. Это объясняет, почему наблюдатели могут почувствовать несколько сменяющих друг друга движений воздуха.
Что влияет на силу толчка
Первое значение имеет скорость. Быстро движущийся поезд быстрее вытесняет объём воздуха, поэтому давление меняется резче. Важны также длина и форма головной части: плавный обтекаемый нос постепенно сдвигает воздушный фронт, а резкое увеличение сечения создаёт более крутой скачок давления.
Сказывается и геометрия тоннеля. Узкий проход оставляет меньше места для обходного потока. У длинного тоннеля волна успевает распространяться и менять форму, а на выходе её резкий фронт иногда порождает короткий звуковой импульс, называемый микроволной давления. Порталы с раструбом и специальные шахты или боковые каналы помогают смягчать такие изменения. В открытом тоннеле или при наличии крупных проёмов воздух может уходить иначе, поэтому одинаковые поезда дают разные ощущения.
Имеет значение встречный поток. Если в тоннеле уже движется воздух от вентиляции или от предыдущего поезда, новая волна накладывается на существующее течение. Направление порыва у входа может тогда отличаться от ожидаемого. Ветер снаружи также влияет на то, как воздух выходит из портала, особенно у платформ и в узких выемках.
Почему толчок ощущается снаружи
В момент въезда головная часть вытесняет воздух не только в глубину тоннеля. Давление перераспределяется у самого портала, и часть потока выходит наружу навстречу наблюдателю. Так возникает краткий порыв, который может качнуть одежду, пыль или лёгкие предметы. Чем ближе человек стоит к направлению потока, тем заметнее ощущение.
Внутри тоннеля пассажир чувствует другое сочетание эффектов: давление может меняться на входе и выходе, а поток обтекает вагоны и проходит через вентиляционные каналы. Герметичные кузова скоростных поездов ограничивают быстрые изменения давления в салоне, чтобы пассажиры меньше замечали перепады, например при разъезде двух составов или въезде в тоннель. В обычном вагоне короткий наружный порыв не означает, что воздух резко «ударяет» по всему салону.
Всегда ли это опасный воздушный удар
В повседневной речи порыв называют толчком, но это не обязательно сильный удар. Часто заметно лишь короткое движение воздуха, а за пределами тоннеля оно быстро ослабевает. Конструкции железной дороги и подвижного состава рассчитывают с учётом аэродинамических нагрузок, а режимы движения могут ограничивать там, где геометрия или состояние инфраструктуры требуют осторожности.
Ощущение зависит и от того, где находится человек. У закрытого вестибюля платформы, за защитным экраном и у открытого портала поток воспринимается по-разному. На пассажирской платформе безопаснее оставаться за обозначенной линией и не приближаться к порталу или путям: причины этого правила включают не только воздушное движение, но и риск от самого поезда.
Чем это отличается от ветра в тоннеле
Постоянный ветер возникает из-за перепада давления между концами тоннеля, вентиляции или движения нескольких поездов. Порыв при входе отдельного состава связан с быстро меняющейся границей: сначала сжатие перед носом, затем обтекание и след за поездом. Эти процессы могут накладываться, но имеют разный характер. Подобно тому как ветер между домами становится сильнее из-за сужения пространства, тоннель направляет и перераспределяет воздух, однако здесь главным источником является движущийся поезд.
С шумом на поворотах явление тоже связано лишь косвенно. Скрип поезда на повороте возникает из-за взаимодействия колёс и рельсов, а толчок воздуха – из-за давления и движения газа. В железнодорожной поездке оба эффекта могут совпасть по времени, но объясняются разными причинами.
Короткий ответ
Поезд, входя в тоннель, занимает часть его сечения и вытесняет воздух. Впереди состава образуется волна сжатия, а поток ускоряется в зазоре между вагонами и стенами. Когда давление перераспределяется у портала, наружу выходит порыв, который человек может почувствовать как короткий толчок. Скорость поезда, форма его носа и размеры тоннеля определяют, насколько сильным он будет.
Особенно заметно движение воздуха у порталов и на закрытых платформах, где стенам и навесам сложнее рассеять поток. Вентиляционные шахты, расширения тоннеля и аэродинамическая форма поезда помогают уменьшать резкие перепады. Для пассажира это обычно краткий эффект, а для инженеров измерение давления важно при расчёте комфорта, креплений и устойчивости оборудования.
