Les trains pendulaires : comment les Pendolinos prennent les courbes plus vite

Le problème de courbe en physique ferroviaire

Chaque passager sur un train conventionnel connaît la sensation d'être poussé latéralement vers la fenêtre ou vers l'allée alors que le train prend un virage. Cette force latérale — ce que les physiciens appelleraient la force centrifuge, ou plus précisément, l'accélération centripète que le train doit imposer à ses passagers pour suivre le chemin courbe — n'est pas simplement inconfortable. C'est la contrainte d'ingénierie fondamentale qui limite à quelle vitesse un train peut conduire en toute sécurité sur une piste courbe.

La limite de vitesse en courbes : la physique

Pour un passager assis dans un siège droit dans un train qui prend une courbe à la vitesse V, l'accélération latérale (centripète) que le passager subit est V² / R, où R est le rayon de courbe. Pour une courbe très serrée — disons, R = 500 mètres — et une vitesse modérée — disons 100 km/h — l'accélération latérale est d'environ 0,15 g. C'est inconfortable mais tolérable. Mais augmentez la vitesse à 200 km/h, et l'accélération augmente à 0,60 g. C'est clairement inconfortable, et potentiellement dangereux — les passagers commencent à être activement repoussés contre les côtés de leurs sièges.

Les trains conventionnels sur des pistes conventionnelles — où la piste elle-même est à plat — se heurtent à cette limite. Les vitesses en courbe sont généralement réduites à un niveau où l'accélération latérale reste en dessous de 0,3 g, ce qui correspond approximativement à la limite de confort.

Cela signifie que sur une piste conventionnelle avec des courbes modérées, les trains conventionnels doivent réduire leur vitesse en courbes. Sur une ligne ferroviaire vieille de cent ans reliant deux villes avec une topographie de roulement et de nombreuses courbes, les vitesses moyennes restent étonnamment basses parce que chaque courbe nécessite un freinage pour maintenir l'accélération latérale en dessous du seuil du confort.

La solution historique : le rehaussement des voies

Le premier remède appliqué a été le rehaussement des voies. Sur une courbe à rails plats, tout le poids du train est supporté par les deux rails de façon égale. Mais si vous relevez légèrement le rail extérieur de la courbe et abaissez le rail intérieur — une pratique appelée « surélévation » ou « rehaussement » — vous créez un système où la pente elle-même fournit une partie de la force centripète requise.

Ce concept est facile à visualiser avec un circuit de voiture : si vous construisez une piste inclinée vers l'extérieur d'une courbe, une voiture roulant sur cette piste ne glissera pas latéralement même si elle va très vite. Les mêmes principes s'appliquent aux chemins de fer. La surélévation est généralement liée à un objectif de vitesse — les courbes sur les lignes à grande vitesse sont beaucoup plus surélevées que les courbes sur les lignes de train de banlieue traditionnelles.

Cependant, la surélévation ne peut que faire tellement. Vous ne pouvez pas surélever une courbe de façon infinie — à un certain point, un train qui se déplaçait lentement sur la courbe peut basculer vers le rail intérieur. Et les courbes serrées ne peuvent être surélevées qu'à un certain point. Il y a donc une limite physique à ce qui peut être compensé par le rehaussement.

La solution moderne : les trains inclinables

À partir des années 1970, les ingénieurs ont commencé à envisager une solution radicalement différente : et si le train lui-même s'inclinait? Et si, lors du virage en courbe, le train inclinait sa caisse vers l'intérieur de la courbe, compensant l'accélération latérale ressentie par les passagers?

C'est l'idée derrière les trains inclinables. Un train inclinable utilise un système de capteurs et d'actuateurs pour détecter quand le train entre une courbe et pour incline le chassis et les sièges du train dans la direction de la courbe. L'effet, pour un passager, est que la cabine s'incline, mais parce que l'inclinaison de la cabine s'ajoute à l'accélération centripète fournie par la surélévation de la piste, l'accélération latérale nette que le passager subit est réduite.

Considérez un exemple numérique. Un train inclinable entre une courbe de 600 mètres à une vitesse de 200 km/h. Sans inclinaison, l'accélération latérale serait d'environ 0,51 g. Mais le système inclinable détecte la courbe et incline la cabine de, disons, 8 degrés. Cette inclinaison réduit l'accélération latérale nette ressentie de 0,51 g à environ 0,25 g — qui est beaucoup plus confortable et permet au train de traverser la courbe à sa vitesse nominale sans avoir besoin de freiner.

Exemples réels : où les trains inclinables fonctionnent

Plusieurs opérateurs ferroviaires européens utilisent des trains inclinables. Les chemins de fer suisses opèrent le train Pendolino, un design italien qui peut s'incliner jusqu'à 8 degrés. Les chemins de fer allemands ont opéré un train inclinable expérimental. La Suède et la Norvège ont expérimenté des trains inclinables sur les itinéraires montagneux. Généralement, ces trains ont prouvé qu'ils pouvaient conduire 10-15% plus vite sur les pistes existantes avec des courbes héritées, sans réduire le confort des passagers.

Cependant, les trains inclinables ne sont pas devenus ubiquitaires. Pourquoi? D'abord, il y a le coût : un train inclinable coûte d'importantes premières dépenses, et l'équipement supplémentaire — capteurs, actuateurs, systèmes hydrauliques — ajoute complexité et exigences d'entretien. Deuxièmement, il y a la question de si 10-15% d'augmentation de vitesse est suffisante pour justifier le coût supplémentaire. Sur une ligne très congestionnée où le débit est important, c'est peut-être. Sur une ligne avec des services peu fréquents, peut-être pas.

Troisièmement, les trains inclinables ont une histoire mitigée en matière de fiabilité. Certains systèmes inclinables ont été fiables. D'autres ont fait face à des défaillances, dont certaines assez dramatiques, où le système d'inclinaison s'est scindé ou s'est méconduit, provoquant l'inconfort des passagers ou nécessitant des réparations majeures.

L'avenir des solutions de courbe

L'avenir semble être une approche mixte. Pour les lignes de chemin de fer à grande vitesse nouvellement construites — où la piste peut être conçue à partir de zéro — les courbes seront conçues pour être assez longues et douces pour que les vitesses nominales puissent être maintenues avec un minimum de surélevation, et aucun système inclinable ne sera nécessaire. Mais pour les lignes historiques existantes avec des courbes serrées, où une reconstruction complète n'est pas pratique ou budgétaire, les trains inclinables offrent une façon d'améliorer les vitesses et le confort sans équipement d'infrastructure majeur.

Et peut-être que pour les futures technologies — Maglev, par exemple, qui n'a pas de roues et peut être contrôlé de façon magnétique — la courbe du problème latéral sera entièrement éliminée. Mais pour maintenant, les trains inclinables demeurent l'une des solutions les plus ingénieuses au problème physique ancestral de comment conduire un train vite autour d'un virage et garder les passagers confortables.