铁路上的秋叶

       摩擦力是两个表面相互滑动或试图滑动时所受到的力。当我们把脚踩在刹车上以停止汽车时，或者当我们走在人行道上时，我们利益于摩擦力。然而，摩擦通常被视为负面因素。摩擦导致能量浪费，需要更多的力量来完成工作，机器失去效率。

       摩擦损失在世界各地都造成了问题，比如英国的铁路系统所经历的问题。 季节性的延误经常发生，造成整个线路的中断和问题。 因此，许多人不使用铁路系统，认为它比它的价值更麻烦。 

       当用在金属轨道上运行的蒸汽机取代马匹的想法出现时，工程师们不确定车轮是否能够以足够的摩擦力抓住轨道，从而在山上和山谷中行驶。实验很快发现，如果火车足够重，具有光滑钢轮的机车可以拉动大负载。从那时起，火车车轮和铁轨之间的摩擦系数一直是铁路工程师最关心的问题。摩擦系数决定了列车加速最快要多久以及列车完全停止所需的距离，最重要的是，决定了列车可以安全携带多少乘客和货物。

       处理联合王国铁路系统的问题涉及许多不同的团体和个人的观察和测试。结论是，不知何故，落在轨道上的树叶导致车轮和轨道之间的摩擦力减少。出于明显的安全原因，摩擦减少意味着列车必须以较低的速度行驶，从而造成延误，让所有相关人员感到头疼。当树叶落在铁轨上时，火车的车轮会压碎叶子，形成覆盖轨道的黑色材料层，它像冰一样滑，这导致轨道和火车车轮之间的摩擦力降低。

       研究人员Michael Watson，Benjamin White，Joseph Lanigan，Tom Slatter和Roger Lewis决定通过确定其成分，它是如何形成的以及为什么它如此滑溜来解决黑色层造成的问题。该团队测试了文献中发现的关于黑色层组成的几个假设。对于每个假设，他们都设计了化学提取和测试，以确定每种化合物对摩擦的影响。

       化学测试确定，正确的假设是黑色层由单宁酸铁组成，它是由溶解的铁和单宁酸（在各种植物组织中发现的天然存在的有机物质，包括某些树木的叶子）之间的反应产生的。然而，确定该物质是单宁酸铁并不一定表明该物质是轨道摩擦力损失的原因。需要进行摩擦学测试，以验证在叶子中发现的单宁酸是原因的假设。研究人员决定将重点放在梧桐叶和金属铁的水提取物以及两者之间的反应上。水性提取物和铁结合在一起形成了黑色沉淀物，就像在铁轨上发现的一样，摩擦试验确定黑色沉淀物产生的摩擦较低。

       进行了三种不同类型的摩擦学试验：平底球试验;滚动滑动，球环试验;双盘滚动滑动测试。

       平底球试验的结果表明，与水相比，单宁（在未经处理的叶提取物和单宁酸溶液中）显着降低了摩擦系数。另外两种类型的测试（滚动滑动、球环测试和双盘滚动滑动测试）得出了相同的结论，单宁显着降低了列车车轮与它们所穿越的轨道之间的摩擦系数。测试还表明，由于滚动速度较高和接触压力较低的实验显示摩擦量最小，因此动态润滑导致摩擦减少。

       拥有这些知识有助于铁路行业中的工程师了解摩擦损失背后的原因，并努力创建解决方案。与此同时，铁路部门正在观察铁路两侧的树木，确定哪些树木造成了问题（主要是落叶和阔叶树木，包括白蜡树、七叶树、酸橙树、杨树、甜栗子树和梧桐树）以及如何以环保的方式处理它们。

Further information: Michael Watson et al. The composition and friction-reducing properties of leaf layers, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences (2020). DOI: 10.1098/rspa.2020.0057