Frage von skyse, 127

Warum kann der Bremsweg eines ICE nicht kürzer sein?

Hallo Ingenieure, Eisenbahner und Physikfreunde,

ich habe gelesen, dass ein ICE bei Höchstgeschwindigkeit einen ca. 3 km langen Bremsweg hat.

Nun meine Frage aus reinem Interesse: Warum kann der nicht kürzer sein?

Bremst man nicht stärker um die Fahrgäste nicht in Gefahr zu bringen, oder würden sich die Schienen dann lösen, oder...?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von Jackie251, 50

Lasst dir nichts einreden von wegen Eisen auf Eisen könne nicht gut Bremsen.
Der ICE Bremst ja nicht über Reibung an den Achsen. Selbst andere Schienenfahrzeuge bremsen bekanntlich mit Bremsklötzen die direkt auf die Schiene wirken (kann man bei älteren Straßenbahnen gut sehen). Auch fragt man sich, wie nach meiner der Pseudoexperten dann wohl ein Transrapid bremsen würde... Immerhin bremst der nicht durch Kontakt. Auch gibt/gab es entsprechende Vorrichtungung um die Schienen mit Sand zu betreuen damit deutlich größere Reibkräfte möglich sind.

Niemand sagt das der Bremsweg nicht kürzer sein kann. Natürlich stellen Komfort und Technik eine gewisse Grenze dar. Sowohl das Gleis auf herkömmlichem Schotterbett wie auch ggf. empfindliche Unterbauter (Brücken) mögen es wenig in Längsrichtung geschoben zu werden.

Die Bremsanforderung wird nicht danach konstruiert was technisch maximal möglich ist. Sondern danach was man braucht.
Bei einem PKW sind hochleistungsfähig Bremsen ein wichtiges Sicherheitsmerkmal, denn hier kann bei Manövern plötzlich ein anderes Fahrzeug vor einem Einscheren. Darum erhalten die Passagiere Gurte und das Fahrzeug starke Bremsen.
Züge jedoch fahren nicht auf Sicht sondern auf Signal. Fahrbahnübergänge werden nicht mit Maximalgeschwindigkeit befahren (aus diesem Grund wurden viele Fahrbahnübergänge durch Über-/Unterführung beseitig).
Die Erfahrung im Bahnverkehr hat bis heute keine Reihenweise Unfälle gezeigt, die mit stärkeren Bremsen hätten verhindert werden können.
Warum dann also stärkere Bremsen einbauen?

Kommentar von Jackie251 ,

Danke für den Stern

Kommentar von DarkEmoLove ,

Der ICE (welcher eigentlich genau?) bremst also nicht über Reibung an den Achsen (die eigentlich Wellen sind, weil sie Kräfte übertragen...)? Was sind dann zum Beispiel die 192 Scheibenbremsen eines ICE1 die bei einer Betriebsbremsung greifen? Keine Reibungsbremsen? Die "Bremsklötze" die auf die Schienen wirken sind übrigens sogenannte Magnetschienenbremsen. Auch die sind reibungsabhängig, da sie sich einfach nur an die Schiene ziehen und durch die Reibung zwischen Schiene und Magnetschienenbremse bremsen (Sogenannte radunabhängige Bremsen. Die Sandstreueinrichtungen sind übrigens immernoch vorhanden und es gibt sie immernoch. Der Komfort spielt übrigens doch eine größere Rolle als du wohl denkst. Nicht umsonst hören die Magnetschienenbremsen bei ~50km/h auf zu wirken, da der Ruck beim Anhalten sonst unaushaltbar groß wäre. Eine Magnetschienenbremsen hat eine Bremskraft von ca. 35kN! Eine Scheibenbremse bei Schienenfahrzeugen hat ca. eine Bremskraft von 15kN. Wenn man bedenkt, dass ein ICE1 12 Mittelwagen hat, kommt da eine beachtliche Gesamtbremskraft nur von den Wagen zusammen! Hier ist die Bremskraft der dynamischen Bremse der Triebköpfe noch nicht mit bedacht!

Dein Vergleich mit dem Transrapid hinkt ebenfall, da dieser auf einem ganz anderen Antriebskonzept basiert als herkömmliche Züge.

Züge fahren übrigens auch nicht "auf Signal" sondern im Raumabstand. Unter LZB CIR ELKE oder ETCS Level 2 gibt es keine Signale an der Strecke mehr.

Kommentar von Jackie251 ,

Die alten ICE haben eine Magnetschienenbremse, während der ICE eine Wirbelstormbremse nutzt.
Natürlich haben auch die ICE Sandstreueinrichtungen - diese trifft jedoch nicht auf alle Weltweit im Einsatz befindlichen Hochgeschwindigkeitszüge zu, einfachstes Beispiel: Transrapid. Von daher ist meine Aussage "..gab/gibt es..." korrekt.

Du musst auch zwischen Betriebsbremsung und Schnellbremsung unterscheiden.
Der allgemeine Betrieb einer Bahn soll kosteneffektiv und angenehm für die Passagiere sein. Daher wird ein Schnellzug keine planmäßig ruppige Fahrweise haben. Statt kurz vor dem Bremsen nochmal stark zu beschleunigen (vgl. Fahrweise von Halbstarken im Zuge von Imponiergehabe), da dies nicht energieeffizient ist und zu erhöhtem Verschleiß führt. Auf einer Schiene mit Abschnitten und Fahrt auf Signal kann man auch wesentlich vorausschauender fahren, als ein Autofahrer. Zumal die üblichen Elektromotoren systembedingt sehr leicht als Generatoren eingesetzt werden können. Natürlich nutzt man das und wird im Ganzen eher wenig Bremsen und dies sanft = material- und passagierschonend.

Eine Schnellbremsung (volksmund: Notbremsung) UM DIESE GEHT IST HIER ist etwas völlig anderes, hier spielt im Gegensatz zu deiner Annahme der Komfort eine untergeordnete Rolle. Denn es ist für die Passagiere deutlich angenehmer bei einer kräftigen Bremsung übereinanderzupurzeln als die Alternative des Zusammenstoßes.
Aus diesem Grund sind auch PKW mit einer Bremse ausgestattet, die einen schon unangenehm in die Gurte pressen kann, in Gurte gepresst zu werden ist das geringere Übel gegenüber einem Zusammenstoß.
Deine Idee man hätte keine stärkeren Notfallbremsen weil das unkomfortabel sei, ist nicht zutreffend.

Ja der Transrapid hat ein anderes Antriebskonzept, aber woraus willst du dabei hinaus? Das Antriebskonzept hat je wenig mit der Problemstellung "..Fahrzeug muss Bewegungsenergie abbauen.." zu tun.

Und entgegen deine Annahme ist LZB, ETCS Level 2 ein Fahren auf Signal!
Strecken werden in Blöcke geteilt und in jedem Block darf sich nur ein Zug befinden. Das ist und bleibt das vorhandes technische System. Ob diese Blöcke fest vorinstalliert (diese klassischen Masten) oder ob man die Streck dynamisch in virtuelle Blöcke teilt ist dabei unerheblich.
Fahren auf Signal bedeutet eben gerade das man ein Signal erhalten muss ob man fahren darf oder nicht (im Gegensatz zum Fahren auf Sicht, wo der Fahrer entscheidet ob er fahren darf). Der Irrtum dem du unterliegt ist, nur Masten als "Signal" zu verstehen.
Woher weis ein ICE ob der den erforderlichen Raumabstand hat? Er erhält ein Signal! direkt an sein Fahrpult.
Merke: der ICE erhält von außen die Information und Entscheidung ob er fahren darf => er fährt auf Signal!

Antwort
von atoemlein, 28
  • Mal steigt der Bremsweg recht genau im Quadrat der Geschwindigkeit!
    Doppelte Geschwindigkeit = 4-facher Bremsweg.
    Hochgeschwindigkeit ist also immer schon mal kritisch.

  • Dann ist die fürs Bremsen relevante Haftreibung zwischen Stahlrad und Schiene viel kleiner als zwischen Gummireifen und Asphalt.
  • Haftreibungskoeffizienten:Gummi - Ashpalt: 0,85 (trocken) bis 0,45 (nass)Stahlrad - Schiene: 0,2 (trocken) bis 0,1 (nass)Also nochmals Faktor 4! (4fach verminderte Bremskraft.)
  • Die Bremskraft könnte erhöht werden, wenn die Auflagekraft (Normalkraft) auf die schiene künstlich erhöht werden kann. Sowas haben viele Strassenbahnen für Notbremsungen: Ein grosser Bremsklotz wird magnetisch auf die Schiene runtergezogen. Eine solche Not-Zusatzbremse vermindert den Bremsweg ein bisschen, sehr abhängig von der Geschwindigkeit, und natürlich führt eine solche Gleit-Notbremsung zu Verschleiss an den Schienen und am Bremsklotz.
Kommentar von atoemlein ,

Editor macht wieder falsche Zeilenumbrüche:

Haftreibungskoeffizienten:

Gummi - Ashpalt: 0,85 (trocken) bis 0,45 (nass)

Stahlrad - Schiene: 0,2 (trocken) bis 0,1 (nass)

Also nochmals Faktor 4! (4fach verminderte Bremskraft.)

Kommentar von Jackie251 ,

Der ICE hat ne Wirbelstrombremse
Die arbeitet unabhängig von der Reibung zwischen Rad und Schiene...

Dazu kommt, dass für eben solche Notfälle die Schiene besandet werden - diese Sandbehälter führen Züge seit 150 Jahren mit und selbst der ICE3 kann das.

und der Transrapid ist Realität - und ja auch diese können völlig reibfrei bremsen...

Kommentar von atoemlein ,

Klar ja, das stimmt, wenn der Wirbelstrom wie beim ICE in der Schiene (und nicht irgendwo auf einer Bremsscheibe an der Achse) erzeugt wird. Er wirkt sogar am besten bei hohen Geschwindigkeiten.
Hast du eine Angabe gefunden, welchen Anteil sie zur Reibungsbremse beiträgt, z.B bei 160km/h oder bei 80 km/h?

Kommentar von Jackie251 ,

Dazu habe ich leider keine Zahlen.

Kommentar von DarkEmoLove ,

Die Baureihen 403/406 und 407 sind die einzigen ICEs mit WB. Alle anderen haben eine herkömmliche Magnetschienenbremsen.

Die WB greift ähnlich der Mg-Bremse nur im Geschwindigkeitsbereich größer 50km/h.

Antwort
von DBLokfuehrer, 69

Weil der Zug dann ins Gleiten (Räder drehen mit verminderter Zahl bzw. blockieren ganz) gerät. Um genau dem entgegenzuwirken, haben viele Züge einen sogenannten Gleitschutz, zusätzlich aber auch einen Schleuderschutz (Räder "drehen durch"). Beide Systeme sind mit dem ABS im Auto vergleichbar.

Expertenantwort
von Hamburger02, Community-Experte für Physik, 38

Weil die geringe Reibung zwischen Rädern und Schienen nicht mehr Kraft aufbringen kann, um den Zug schneller zu stoppen.

Grundgesetz der Mechanik: F = m * a

Bremsbeschleunigung a = F / m
Die Bremsbeschleunigung ist also proportional zu der Bremskraft und die ist durch die geringe Reibung zwischen Rädern und Schienen begrenzt.

Kommentar von Jackie251 ,

Die Reibung wird im Notfall doch durch sanden erhöht, dazu können Elektomotoren auch als Bremse also als Generator arbeiten.

Und auch die Wirbelstrombremse braucht keine Reibung.

Man könnte technisch den Zug schneller stoppen, es gibt dafür jedoch schlicht keinen Grund. Jeder Formel 1 Wagen hat wesentlich leistungsfähigere Bremsen, als ein PKW. Nur weil etwas technischa verfügbar ist, wird es nicht zwangsläufig eingebaut.

Kommentar von atoemlein ,

Die Bremstechnik (elektrisch, oder Wirbelstrom) ist egal, die Frage ist nur, welche Bremskraft man auf die Schiene bringt. Und da ist nur die Haftreibung zwischen Rad und Schiene relevant.

Vielleicht könnte man noch mit einem riesigen Bremsfallschirm nachhelfen...

Kommentar von Jackie251 ,

Demnach ist einPerpetuum Mobile also möglich?
Wir setzen eine Genaratorenwelle in Gang, und sorgen für möglichts reibfreie Aufhängung. Jetzt entnehme man die Gerator elekrischen Strom - antreiben muss man ihn ja nie wieder, denn sowas wie Induktion als Ernergieübertragung gibt es ja nicht.
Die Welle dreht in dreht sich, wir haben nur Reibungsverluste...

Wie sagtest du noch mal bremst ein Transrapid? Nur Luftreibung/Widerstand - er hat ja leider keinen Kontakt zu einer Schiene, Haftreibung fällt ja leider aus....

Kommentar von atoemlein ,

?? PM?
?? Luftreibung?

Wirbelstrom kann sicher helfen, wenn er auf die Schiene wirkt wie beim ICE (siehe mein Kommentar oben).

Elektromotoren wirken aber ebenfalls nur auf die Räder, somit ist hier die Reibung ausschlaggebend.

Und woher hast du das mit dem Sanden beim Bremsen? Das wirkt höchstens bei langsamer Fahrt und z.B. bei Vereisungen oder Laub oder Öl auf den Schienen.

Antwort
von clemensw, 39

Das Problem sind weder die Fahrgäste noch die Schienen, sondern der Kraftschlußbeiwert - das ist die maximal übertragbare Kraft von Felge zu Schiene, ohne daß Schlupf entsteht (d.h. die Felge gleitet dann auf der Schiene und überträgt weniger Bremskraft).

Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Reibungskoeffizient

Antwort
von Mojoi, 42

Faustformel für den Bremsweg aus der Fahrschule: 10% der Geschwindigkeit in km/h zum Quadrat.

350km/h = 1.225m

Und das bei Gummi auf Asphalt und entsprechend geringem Gewicht eines Autos.

Bei Stahl auf Stahl und 320 Tonnen kommt da halt ein bisschen mehr zusammen. Und da funken schon die Räder (Vollblockade mit anschließendem Schrottwert der Räder und ggf. der Schienen).

Alternativ könnte der ICE auch einen Anker auswerfen. Aber dann reißt es den Zug auseinander.

Antwort
von ES1956, 43

Selbstverständlich bremst man mit aller Kraft, was hinten im Zug passiert kann nicht so schlimm sein wie ein Aufprall oder eine Entgleisung.
Es ist nur einfach physikalisch nicht möglich die Masse eines Zuges mit normalen Bremsen (incl. Magnetschienenbremse) schneller zu bremsen.

Antwort
von V1234V, 9

Ist auch eine Sache des Geldes und des Komforts. Sicher ist allein mit den Bremsen, die direkt auf die Räder und Achsen wirken nicht viel zu verbessern. Jedoch könnte man theoretisch viel mehr Magnetschienenbremsen verbauen und somit eine noch stärke Bremswirkung erzielen. Aber wie schon erwähnt, es würde dann wahrscheinlich kein Fahrgast, geschweige denn deren Kaffee, mehr auf dem Platz halten. :D

Antwort
von Stinkepups, 53

Wenn der noch stärker bremsen würde, dann würde ein Schlupf entstehen und dann hat man einen längeren Bremsweg.

Kommentar von Stinkepups ,

*noch längeren

Antwort
von hauseltr, 40

Eisen auf Eisen bremst nun mal schlecht, bei jedem Zug. Trotz Scheibenbremsen, Magnetschienenbremsen. Wirbelstrombremsen usw. Kürzer kann der Weg nicht werden!

Bei Überbremsungen besteht die Gefahr des Aufgleitens der Räder auf der Schiene, somit würde der Bremsweg länger. 

Kommentar von Jackie251 ,

und du glaubst eine Wirbelstrombremse würde mit Eisen auf Eisen als Reibung bremsen?
Du weis auch schon das Aufgleiten mit entsprechem Anpressdruck verhindert werden kann? Entsprechende Bremsspoiler sind technisch machbar.

Antwort
von syncopcgda, 43

Die Grenzen der Bremswirkung sind durch die relativ niedere Reibung zwischen Rädern und Schienen gesetzt. 

Kommentar von Jackie251 ,

Die Reibung zwischen Schiene und Rad dürfte merklich größer sein als die eine PKW auf Asphalt - also niedrig stimmt da wohl nicht.

Kommentar von syncopcgda ,

Nöö,

"Natürlich hat ein Zug einen wesentlich größeren Bremsweg als ein PKW, aber der Haftreibungsbeiwert zwischen Eisenbahnrad und Schiene ist viel kleiner wie die Haftung zwischen Gummireifen und Asphalt".

Aus: Haftreibungszahlen für Schiene & Straße.

http://www.johannes-strommer.com/rechner/basics-mechanik/haftreibungszahlen/

Kommentar von Jackie251 ,

okay, das Problem dabei ist, in den Dingen steckt oft mehr als man sieht.
Selbst ein ICE3 hat die sie 150 Jahren übliche Technik: sanden der Schiene um die Reibung zu erhöhen.

Es wird einfach im Notfall Sand auf die Schiene vor das Rad gestreut. Daher gilt für den Notfall nicht die Reibung Stahl auf Stahl sondern die Reibung Stahl auf Brechsand - der Reibungbeiwert geht da Richtung 0,8. Das schaffen kein normaler PKW Reifen. Sehr abnutzungsstarke Rennreifenmischungen schaffen das ggf, wenn der Fahrer die Straße vorher mit Abrieb stumpf gemacht hat.

Das kommt eben dabei heraus, wenn ein fachfremder Physiklehrer aus seinen Tabellenwerken heraus zu Sachthemen schreibt...

Kommentar von atoemlein ,

Das Sanden wird eher zum Erhöhen der Anfahr-Zugkraft verwendet, nicht zum Bremsen.
Bei hoher Geschwindigkeit wüde eh der meiste Sand nicht vor dem Rad landen, sondern durch den Fahrtwind zerstäubt.

Kommentar von atoemlein ,

Sicher nicht!

Sowohl Gleitreibung wie auch die fürs Bremsen bedeutsame Haftreibung ist bei Gummirad - Asphalt viel grösser als bei Stahlrad - Stahlschiene!

Kommentar von syncopcgda ,

@ Jackie: 

"Fachfremder Physiklehrer" hin oder her, es ging mir ausschließlich darum, deiner Behauptung "Die Reibung zwischen Schiene und Rad dürfte merklich größer sein als die eine PKW auf Asphalt - also niedrig stimmt da wohl nicht" zu widersprechen. Im "Regelfall", also ohne Berücksichtigung der diversen Begleitumstände und Bedingungen, also Stahl auf Stahl (ohne zu "Sandeln") und Gummi auf trockenem Asphalt ist die Haftreibung Rad/Schiene kleiner, als bei Gummi auf der Straße.

Antwort
von Slayer98, 55

Folgendes basiert auf einer Annahme:

Die Höchstgeschwindigkeit eines ICEs ligt bei irgendwas mit 300 km/h. Beim diese Bewegungsenergie entsteht Reibung und somit Wärme. Eine so hohe Geschwindigkeit in kurzer Zeit abzubremsen würde bedeuten, dass hohe Temperaturen entstehen, was die Technik vermutlich nicht aushalten würde.

Antwort
von SchnitzelxD, 54

Ich bin hier nicht der Spezialist für sowas, aber ich würde jetzt mal sagen, dass es (wie du gesagt hast) wegen den Fahrgästen so ist, und vielleicht, damit man die Schienen nicht zu arg beschädigt.

Wie gesagt, ich bin kein Spezialist.

Antwort
von FabiWi1994, 45


Der Bremsweg (s) eines ICE wird nach folgender Formel berechnet s= 0,0771 * v2

a. Erstelle eine Wertetabelle in Schritten von 50 km/h für die Geschwindigkeit (v) von 0 bis 250 km/h und zeichne einen geeigneten Graph
b.) Begründe , warum sich bei doppelter Geschwindigkeit der Bremsweg nicht verdoppelt
c) Für einen Ice wurde ein Bremsweg von 2783 m gewesen . Welche Geschwindigkeit hatte der Zug? (Rechnung bitte)

d.) Für eine Schnellbremsung lautet die Formel s= 0,0368 * v²  Vergleiche




a)

v050100150200250s0192,757711734,7530844818,75[vs0050192,751007711501734,7520030842504818,75]

b) Weil die Geschwindigkeit v quadratisch in die Formel für den Bremsweg eingeht. Der Bremsweg ist also keine proportionale Funktion der Geschwindigkeit.

c) Einsetzen der bekannten Werte in die Formel für den Bemsweg:

2783 = 0,0771 * v 2

und auflösen nach v:

<=> v 2 = 2783 / 0,0771

<=> v = √ ( 2783 / 0,0771 ) = 190 km /h (gerundet)

d) sschnell / snormal = 0,0368 / 0,0771 = 0,477

Der Schnellbremsweg ist also weniger als halb so lang wie der Normalbremsweg.

Beispielrechnung für das Beispiel 200 km/h:

Der Normalbremsweg beträgt  3084 m (siehe Tabelle)

Der Schnellbremsweg beträgt:

sschnell = 0,0368 * 200 2 = 1472 m



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