Creo que todos, de niños, hemos jugado a ser un trencito aunque aún los más viejos entre nosotros probablemente nunca hubiéramos visto una locomotora de vapor en vivo. Movíamos los brazos, parcialmente plegados, hacia adelante y atrás como si fueran las bielas de la máquina de vapor, haciendo "chuf, chuf" al ritmo.

Bastante más tarde, apenas adolescente, en un viaje por los EE.UU. con mis padres, visitamos Disneylandia (la única que había en aquel entonces, la original en California) y finalmente viajé en un tren con locomotora de vapor. Observándola con detenimiento desde la plataforma cuando partía, me pregunté, "¿Qué pasaría si el tren se hubiera detenido con el pistón en alguno de los extremos de su recorrido?". Si la biela estuviera perfectamente horizontal, apuntando al centro de la rueda, no hay forma de ejercer presión para hacer rotar la rueda. Claramente, aún tan joven, prometía para ingeniero, pero aún faltaban muchos años.

Nosotros lo solucionamos casi instintivamente al andar en bicicleta. Al arrancar, nos aseguramos que uno de los pedales, usualmente aquel sobre el que vamos a poner el peso de nuestro cuerpo, esté hacia adelante, esto es, con el brazo que sostiene el pedal horizontal, que lo pone perpendicular al peso de nuestro cuerpo. Si el pedal estuviera vertical, sabemos que no podríamos impulsar la bicicleta.

Claro, nunca vemos la locomotora de ambos lados a la vez, o de un lado o del otro, pero es casi imposible verla de ambos a la vez. Si así fuera, veríamos que los pistones a uno y otro lado nunca están ambos al mismo tiempo en los extremos de su recorrido. Las ruedas, a uno y otro lado del eje que las une, están calzadas sobre éste a 90 grados la una de la otra, de tal manera que las bielas a uno y otro lado nunca estén ambas al final de sus respectivos recorridos al mismo tiempo.

En los motores de combustión interna de los automóviles o motocicletas esto no es un problema, el motor arranca desacoplado de las ruedas, movido por un motor eléctrico auxiliar, pero esa posibilidad no existe en una locomotora, los pistones no pueden desacoplarse de las ruedas. Para moverlos, hay que mover todo el tren. Y para hacerlo, no pueden estar ambos pistones en sus posiciones extremas, pues no tienen brazo de palanca para mover las ruedas.

Así pues, a levantar los antebrazos y, antes de comenzar a hacer "chuf-chuf", pongamos un brazo ligeramente hacia adelante y el antebrazo del otro ligeramente hacia arriba, y tratemos de moverlos haciendo círculos con las manos de tal manera que una siga a la otra ligeramente por detrás.

Cómo giran

Otro error ferroviario que subsistió mucho más allá de que jugara al trencito era la forma en que los trenes toman las curvas. Las ruedas de los trenes tienen una pestaña que sobresale por el lado interior de los rieles sobre los que apoya y es casi instintivo pensar que es esta pestaña la que presiona lateralmente sobre el riel del lado de afuera de una curva, de tal manera que fuerza a todo el tren a doblar. Curiosamente, nada más lejos de la realidad.

Un detalle apenas visible de las ruedas de tren es que no son cilíndricas, como si fueran enormes monedas, sino que tienen una forma ligeramente cónica con la parte más delgada hacia el lado de afuera. La diferencia es escasa, por lo que apenas se percibe.

Una parte aún menos visible es que las ruedas no giran sobre los ejes como sí lo hacen las ruedas de un carro. Cada par de ruedas están firmemente unidas al eje que las une y, por ello, no pueden girar independientemente una de la otra; todo el conjunto, el eje y sus dos ruedas, giran siempre al unísono. Ambas hacen una vuelta exactamente al mismo tiempo. Sin embargo, como la rueda es cónica, donde la rueda es más gorda, en cada giro, recorrerá una distancia mayor que en la parte donde es más delgada (ver Calvin and Hobbes en inglés).

O sea que según cada rueda apoye más o menos alejada del centro de la vía, girará más o menos rápido. Como las ruedas a ambos lados del mismo eje giran al mismo ritmo, el par tiende a acomodarse sobre el riel en la única posición estable posible, con ambas ruedas recorriendo la misma distancia al mismo tiempo. El perfil cónico de la rueda, con la parte más gruesa del lado interno, es naturalmente estable. Si la parte más gruesa estuviera del lado exterior, la rueda descarrilaría de inmediato mientras que si la rueda fuera perfectamente cilíndrica, en lugar de cónica, no tendría preferencia entre auto-centrarse o salir disparada a uno u otro lado.

Al llegar a una curva, el tren, que por pura inercia tiende a seguir en línea recta, se encuentra conque los rieles se apartan a un lado, al menos desde el punto de vista del tren. Las ruedas, entonces, se separan de este punto de estabilidad natural. Digamos que las vías van hacia la izquierda. En el caso de la rueda del lado izquierdo, el riel ahora apoya en una parte más angosta de la rueda. Por el contrario, en la rueda del lado derecho, el riel ahora apoya del lado más gordo. De esta forma, la rueda del lado izquierdo, en el interior de la curva, recorrerá una distancia menor que la rueda del lado derecho, que recorrerá una distancia mayor. La rueda izquierda se rezagará mientras la derecha se adelantará ligeramente a la otra. El efecto es que el eje que las une ahora tendrá un ligero ángulo hacia la izquierda, o sea, habrá girado.

De hecho, si vemos una vía en curva desde el cielo, vemos que el riel del lado exterior es algo más largo que el del lado interior. Las ruedas del tren, estando unidas al mismo eje, logran que la del lado de afuera de la curva recorra también un trecho más largo que la del lado interior, manteniéndose así estable dentro de la curva.

La pestaña de una rueda de tren es un mecanismo extra de seguridad, pero en operación normal no debería tocar nunca al riel. Ocasionalmente, en una curva muy cerrada como puede ser en un metro o un tranvía, podemos escuchar un chirrido muy molesto. Esa es la pestaña que roza contra el riel, pero esto es excepcional y sólo ocurre en casos límite. Ahí está cumpliendo su función de elemento de seguridad, pero la falta de ese chillido en todo el resto de las curvas es señal de que, efectivamente, la pestaña no toca al riel.

Hay trenes, sin embargo, que no tienen ejes que unan las ruedas a uno y otro lado. Por ejemplo, los coches de los trenes Talgo. El pasillo que une los coches es tan bajo que no hay forma de pasar un eje por allí sin forzar un escalón. En este caso, un mecanismo de brazos que unen cada par de coches contiguos detecta el ángulo que se forma entre los coches en una curva, y ajusta las ruedas para que se mantengan con su eje en la bisectriz del ángulo entre los coches. Pero para que esto suceda, el tren ya tiene que estar girando. Para ello, los coches en los extremos tienen ruedas normales, con ejes solidarios de lado a lado, para que los extremos del tren giren y así los demás coches les puedan seguir.

Tranvía en Viena, Austria - Wikipedia

Los modelos nuevos de los tranvías de Vienna son otro ejemplo de coches que no tienen ejes solidarios al través. Las ruedas se encuentran al pie de las bandas grises que unen las secciones de pasajeros, que a su vez cubren la articulación entre los varios segmentos. No hay un eje que una las ruedas a uno y otro lado del coche pues hay un pasillo extremadamente bajo que pasa por entre las dos ruedas. La rueda a cada lado es impulsada por un motor ubicado verticalmente detrás de esas pequeñas puertas de inspección que se aprecian en las bandas grises. Los motores a uno y otro lado de cada banda están sincronizados electrónicamente para que, al llegar a una curva, el del lado exterior gire ligeramente más rápido que el interior.