Descarrilamiento

El primer descarrilamiento de tren registrado en la historia se conoce como el accidente ferroviario de Hightstown en Nueva Jersey, ocurrido el 8 de noviembre de 1833. El tren viajaba entre Hightstown y Spotswood, Nueva Jersey, y descarriló después de que se rompiera un eje en uno de los vagones como resultado del incendio de una caja de diarios. El descarrilamiento causó una muerte y veintitrés heridos, y se registró que tanto el magnate ferroviario neoyorquino Cornelius Vanderbilt como el expresidente estadounidense John Quincy Adams se encontraban en el tren en el momento del accidente, y Adams escribió sobre el suceso en su diario. ^{[ 1 ]}

Durante el siglo XIX, los descarrilamientos eran frecuentes, pero las medidas de seguridad progresivamente mejoradas han dado como resultado un nivel estable y menor de tales incidentes. Una muestra de las cifras anuales aproximadas de descarrilamientos en los Estados Unidos incluye 3000 en 1980, 1000 en 1986, 500 en 2010 y 1000 en 2022. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} Aunque considerablemente menos comunes que hace un siglo o incluso medio siglo, todavía ocurren incidentes importantes de vez en cuando. Además del error del operador, las fallas del sistema debido al envejecimiento de la infraestructura, a menudo combinadas con una demanda constante o incluso creciente, han desempeñado un papel cada vez más importante en los accidentes, especialmente en los corredores más transitados. ^{[ 5 ]} En las últimas dos décadas, los descarrilamientos recientes más notables incluyen:

• Descarrilamiento de tren en East Palestine, Ohio - 3 de febrero de 2023: Un tren de carga de Norfolk Southern que transportaba productos químicos descarriló en East Palestine, Ohio . El derrame de cientos de miles de libras de materiales peligrosos provocó un desastre ambiental . La Junta Nacional de Seguridad del Transporte (NTSB) concluyó que el accidente fue resultado del sobrecalentamiento de un cojinete de rueda . ^{[ 6 ]} El 4 de marzo, otro tren de Norfolk Southern descarriló en Ohio, aunque los funcionarios ferroviarios enfatizaron que esta vez no transportaba productos químicos tóxicos y que su contenido no representaba ninguna amenaza ni para el medio ambiente ni para el público en general. ^{[ 7 ]}
• Descarrilamiento de Spuyten Duyvil - 1 de diciembre de 2013: Un tren de cercanías de Metro-North con 116 pasajeros descarriló en una curva en elbarrio de Spuyten Duyvil , en el Bronx , un distrito de la ciudad de Nueva York , causando 4 muertos y al menos 61 heridos. Según la NTSB, el tren viajaba a 132 km /h (82) en el momento del accidente, superando con creces el límite de velocidad de 48 km/h (30 mph) para la curva. La NTSB concluyó que esto fue resultado de un error del operador, ya que el maquinista se había quedado dormido debido a un trastorno del sueño y a un cambio de horario reciente. ^{[ 8 ]}

Las vías rotas son una de las principales causas de descarrilamientos. Según datos de la Administración Federal de Ferrocarriles, las vías y soldaduras rotas son la causa más común de descarrilamientos de trenes, representando más del 15 por ciento de los casos. ^{[ 10 ]}

Una estructura de vía tradicional consta de dos rieles, fijados a una distancia determinada (conocida como ancho de vía ), y apoyados sobre traviesas transversales. Algunas estructuras de vía más avanzadas apoyan los rieles sobre una losa de hormigón o asfalto. La superficie de rodadura de los rieles debe ser prácticamente continua y tener la geometría adecuada.

En caso de rotura o agrietamiento de un raíl , la superficie de rodadura puede verse afectada si se desprende un trozo, se aloja en una posición incorrecta o si se produce un hueco considerable entre los tramos restantes. En 2008, se notificaron 170 raíles rotos (no agrietados) en Network Rail, en el Reino Unido, una cifra inferior al máximo de 988 registrado en 1998/1999.

• En las vías con juntas , los raíles suelen conectarse mediante placas de unión atornilladas. El alma del raíl experimenta grandes fuerzas de cizallamiento , que se intensifican alrededor del orificio del perno. En caso de un mantenimiento deficiente de la vía, la fatiga metalúrgica puede provocar la propagación de fisuras en forma de estrella desde el orificio del perno. En situaciones extremas, esto puede causar el desprendimiento de un trozo triangular de raíl en la junta.
• Se producen cambios metalúrgicos debido al fenómeno de agrietamiento en las esquinas de la zona de medición (en el que la microfisuración por fatiga se propaga más rápido que el desgaste normal), y también debido a los efectos de la inclusión de hidrógeno durante el proceso de fabricación, lo que provoca la propagación de grietas bajo carga de fatiga.
• Puede producirse una fragilización localizada del metal base debido al giro de las ruedas (unidades de tracción que hacen girar las ruedas motrices sin moverse a lo largo de la vía).
• Las soldaduras de los raíles (donde las secciones de raíl se unen mediante soldadura) pueden fallar debido a una mala mano de obra; esto puede ser provocado por un clima extremadamente frío o por una tensión inadecuada de los raíles soldados de forma continua, de manera que se generen altas fuerzas de tracción en los raíles.
• Las placas de unión (barras de unión) en las vías con juntas pueden fallar, lo que permite que los rieles se separen en climas extremadamente fríos; esto generalmente está asociado con el deslizamiento no corregido de los rieles.

El descarrilamiento puede ocurrir debido a un ensanchamiento excesivo del ancho de vía (a veces conocido como separación de la vía ), en el que las traviesas u otros elementos de fijación no mantienen el ancho de vía adecuado. En vías de ingeniería ligera donde los rieles están clavados (enganchados) a traviesas de madera, la falla de la sujeción de los clavos puede resultar en la rotación hacia afuera de un riel, generalmente bajo la acción agravante del movimiento lateral de los bogies (vagones) en las curvas. ^{[ 3 ]}

El mecanismo de ensanchamiento de la vía suele ser gradual y relativamente lento, pero si no se detecta, la falla final a menudo se produce bajo el efecto de algún factor adicional, como exceso de velocidad, mal mantenimiento del tren de rodaje del vehículo, desalineación de los rieles y efectos de tracción extremos (como fuerzas de propulsión elevadas). El efecto de deriva mencionado anteriormente es más pronunciado en condiciones secas, cuando el coeficiente de fricción en la interfaz rueda-riel es alto.

El tren de rodaje ( juegos de ruedas , bogies y suspensión) puede fallar. El modo de falla histórico más común es el colapso de los cojinetes lisos debido a una lubricación deficiente y la falla de las ballestas; los neumáticos también son propensos a fallar debido a la propagación de grietas metalúrgicas.

Las tecnologías modernas han reducido considerablemente la incidencia de estos fallos, tanto por su diseño (especialmente la eliminación de los cojinetes lisos) como por la intervención (ensayos no destructivos en servicio).

Si una irregularidad vertical, lateral o transversal es cíclica y se produce a una longitud de onda que corresponde a la frecuencia natural de ciertos vehículos que recorren el tramo de la vía, existe el riesgo de oscilación armónica resonante en los vehículos, lo que puede provocar un movimiento anómalo extremo y, posiblemente, un descarrilamiento. Esto es especialmente peligroso cuando un balanceo cíclico se origina por variaciones transversales, pero los errores cíclicos verticales también pueden provocar que los vehículos se salgan de la vía; esto ocurre sobre todo cuando los vehículos están vacíos y si la suspensión no está diseñada con las características adecuadas. Esta última condición se aplica si la rigidez de la suspensión está optimizada para la condición de carga, o para una condición de carga de compromiso, de modo que resulta demasiado rígida en la situación de vacío.

Los ejes de las ruedas del vehículo se descargan momentáneamente en posición vertical, por lo que la guía necesaria que proporcionan las pestañas o el contacto de la banda de rodadura de la rueda resulta insuficiente.

Un caso especial es el pandeo relacionado con el calor : en clima cálido, el acero del riel se expande. Esto se controla sometiendo a tensión los rieles soldados continuamente (se tensan mecánicamente para que sean neutros en tensión a temperatura moderada) y proporcionando holguras de expansión adecuadas en las juntas, además de asegurar que las placas de unión estén debidamente lubricadas. Asimismo, se proporciona restricción lateral mediante un hombro de balasto adecuado. Si alguna de estas medidas es insuficiente, la vía puede pandearse; se produce una gran deformación lateral que los trenes no pueden superar. (En nueve años, de 2000/1 a 2008/9, se registraron 429 incidentes de pandeo de vía en Gran Bretaña). ^{[ nota 2 ] [ 11 ]}

Los cruces y otros cambios de vía en los ferrocarriles se realizan generalmente mediante agujas (desvíos, secciones móviles que permiten modificar la ruta de los vehículos). En los inicios del ferrocarril, estas agujas eran accionadas de forma independiente por el personal local. Los accidentes, normalmente colisiones, ocurrían cuando el personal olvidaba para qué vía estaban ajustadas las agujas o no veía venir un tren que circulaba por una vía conflictiva. Si las agujas no estaban correctamente ajustadas para ninguna de las dos vías (a medio recorrido), un tren que pasaba podía descarrilar.

La primera concentración de palancas para señales y desvíos reunidas para su funcionamiento tuvo lugar en Bricklayer's Arms Junction, en el sureste de Londres, entre 1843 y 1844. La ubicación del control de señales (precursora de la caseta de señales) se mejoró con la incorporación de un sistema de enclavamiento (que impedía que se estableciera una señal de vía libre para una ruta no disponible) en 1856. ^{[ 12 ]}

Para evitar el movimiento involuntario de vehículos de carga desde las vías de apartado a las vías principales, y otros movimientos indebidos similares, se instalan agujas de seguridad y descarrilamientos a la salida de las vías de apartado. En algunos casos, estos se instalan en la confluencia de las vías principales. Ocurre ocasionalmente que un conductor cree erróneamente tener autorización para cruzar las agujas de seguridad, o que el señalero otorga dicha autorización de forma indebida; esto provoca un descarrilamiento. El descarrilamiento resultante no siempre protege completamente la otra vía: un descarrilamiento en una aguja de seguridad a alta velocidad puede causar daños y obstrucciones considerables, e incluso un solo vehículo puede obstruir la vía libre.

Si un tren choca con un objeto de gran tamaño, es evidente que puede producirse un descarrilamiento y una alteración en el correcto funcionamiento de las ruedas sobre la vía. Si bien se suelen imaginar obstáculos de enormes dimensiones, se sabe que una vaca que invadió la vía provocó el descarrilamiento de un tren de pasajeros a gran velocidad, como ocurrió en el accidente ferroviario de Polmont .

Las obstrucciones más comunes que se encuentran son los vehículos de carretera en los pasos a nivel ; a veces, personas malintencionadas colocan materiales sobre las vías y, en algunos casos, objetos relativamente pequeños provocan un descarrilamiento al hacer que una rueda se salga de la vía (en lugar de por una colisión grave).

Los descarrilamientos también se han producido en situaciones de guerra u otros conflictos, como durante las hostilidades de los nativos americanos, y más especialmente durante los períodos en que se transportaba personal y material militar por ferrocarril. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

El manejo de un tren también puede causar descarrilamientos. Los vagones de un tren están conectados por acoplamientos; en los inicios del ferrocarril, estos eran tramos cortos de cadena ("acoplamientos sueltos") que conectaban vagones adyacentes con una holgura considerable. Incluso con las mejoras posteriores, puede existir una holgura considerable entre la tracción (la unidad motriz tensa los acoplamientos) y el frenado de la unidad motriz (la locomotora aplica los frenos y comprime los topes en todo el tren). Esto produce un efecto de sobrecarga en los acoplamientos .

Las tecnologías más sofisticadas que se utilizan actualmente suelen emplear acoplamientos sin holgura, aunque sí existe un movimiento elástico en los mismos; se proporciona frenado continuo, de modo que cada vagón del tren dispone de frenos controlados por el conductor. Generalmente, se utiliza aire comprimido como medio de control, y existe un retardo perceptible a medida que la señal (para aplicar o liberar los frenos) se propaga a lo largo del tren.

Si un maquinista aplica los frenos del tren de forma repentina y brusca, la parte delantera del tren es la primera en recibir las fuerzas de frenado. (Cuando solo la locomotora frena, este efecto es obviamente más extremo). La parte trasera del tren puede rebasar a la delantera y, en casos donde el acoplamiento es imperfecto, el cierre repentino resultante (un efecto conocido como "enganche") puede provocar que un vagón vacío (un vagón de mercancías vacío) se levante momentáneamente y se salga de la vía. Este efecto era relativamente común en el siglo XIX. ^{[ 16 ]}

En tramos curvos, las fuerzas longitudinales (de tracción o frenado) entre vehículos presentan una componente hacia adentro o hacia afuera, respectivamente, en la curva. En situaciones extremas, estas fuerzas laterales pueden ser suficientes para provocar un descarrilamiento.

Un caso particular de problemas en la conducción de trenes es el exceso de velocidad en curvas cerradas . Esto suele ocurrir cuando el maquinista no reduce la velocidad del tren en una curva pronunciada, en una ruta que normalmente presenta condiciones de alta velocidad. En casos extremos, esto provoca que el tren entre en la curva a una velocidad que le impide tomarla, lo que conlleva un descarrilamiento grave. El mecanismo específico puede implicar el vuelco (rotación) del tren, pero lo más probable es que el fallo principal sea la rotura de la estructura de la vía y el descarrilamiento, seguido del vuelco.

Entre los incidentes fatales se incluyen el descarrilamiento del tren de Santiago de Compostela en 2013 y el descarrilamiento del tren de Filadelfia dos años después, en el que ambos trenes circulaban a unos 160 km/h (100 millas por hora) . Ambos circulaban a casi el doble de la velocidad máxima permitida para el tramo curvo de la vía. 

El sistema de guiado de los vehículos ferroviarios prácticos se basa en el efecto de dirección que ejerce la conicidad de las bandas de rodadura en curvas moderadas (con un radio de hasta unos 500  m, o unos 1500  pies). En curvas más pronunciadas, se produce el contacto de las pestañas de las ruedas, y el efecto de guiado de estas depende de una fuerza vertical (el peso del vehículo).

Un descarrilamiento por ascenso de la pestaña puede ocurrir si la relación entre estas fuerzas, L/V, es excesiva. La fuerza lateral L no solo se debe a efectos centrífugos, sino que una parte importante proviene del movimiento lateral de un conjunto de ruedas que tiene un ángulo de ataque distinto de cero durante la marcha con contacto de la pestaña. El exceso de L/V puede deberse a la descarga de la rueda o a perfiles inadecuados de la banda de rodadura del carril o de la rueda. La física de este fenómeno se describe con más detalle a continuación, en la sección de interacción rueda-carril .

La torsión de la vía puede provocar la descarga de las ruedas . Esto puede ocurrir si la inclinación transversal (o peralte) de la vía varía considerablemente a lo largo de la distancia entre ejes del vehículo y la suspensión es muy rígida a la torsión. En situaciones cuasiestáticas, puede producirse en casos extremos de mala distribución de la carga o con una inclinación extrema a baja velocidad.

Si un riel ha estado sometido a un desgaste lateral extremo, o si la pestaña de una rueda se ha desgastado hasta un ángulo inadecuado, es posible que la relación L/V supere el valor que el ángulo de la pestaña puede resistir.

Si se realiza una reparación mediante soldadura de los desvíos desgastados lateralmente, una mala mano de obra puede producir una rampa en el perfil en la dirección de entrada, que desvíe la pestaña de una rueda que se aproxima hacia la cabeza del riel.

En situaciones extremas, la infraestructura puede verse gravemente dañada o incluso inexistente; esto puede deberse a diversas causas, como movimientos de tierra (deslizamientos y deslaves), terremotos y otras perturbaciones terrestres importantes, o una protección deficiente durante los procesos de trabajo, entre otras.

En el accidente ferroviario de Hatfield, Inglaterra, en el año 2000, en el que murieron cuatro personas, la fatiga por contacto rodante provocó múltiples grietas en las esquinas de la vía; posteriormente se encontraron 300 de estas grietas en el lugar. El riel se agrietó bajo el peso de un tren de pasajeros de alta velocidad, que descarriló. ^{[ 20 ]}

En el anterior accidente ferroviario de Hither Green , un segmento triangular de riel en una junta se desplazó y se atascó en ella; descarriló un tren de pasajeros y murieron 49 personas. La causa fue el deficiente mantenimiento de un tramo de la ruta que se utilizaba con frecuencia. ^{[ 21 ]}

En el desastre ferroviario de Eschede , Alemania, un tren de pasajeros de alta velocidad descarriló en 1998, causando la muerte de 101 personas. La causa principal fue la fractura por fatiga del metal de un neumático; el tren no pudo sortear dos cambios de vía y chocó contra el pilar de un paso elevado. Fue el accidente ferroviario más grave en Alemania, y también el más grave en cualquier línea de alta velocidad (más de 200 kilómetros por hora (120 mph) ). Las pruebas ultrasónicas no lograron detectar la fractura incipiente. ^{[ 22 ]} 

En 1967, en el Reino Unido, se produjeron cuatro descarrilamientos debido al pandeo de vías soldadas continuamente ("CWR"): en Lichfield, el 10 de junio, un tren de vagones plataforma vacíos (un tren de vagones plataforma para el transporte de automóviles); el 13 de junio, un tren expreso de pasajeros descarriló en Somerton; el 15 de julio, un tren de carga (tren de contenedores) descarriló en Lamington; y el 23 de julio, un tren expreso de pasajeros descarriló en Sandy. El informe oficial no fue del todo concluyente en cuanto a las causas, pero observó que el total anual de deformaciones por pandeo fue de 48 en 1969, habiendo sido de un solo dígito en todos los años anteriores, y que las deformaciones [relacionadas con el calor] por cada 1000 millas por año fueron de 10,42 para CWR y de 2,98 para vía con juntas en 1969, habiendo sido un máximo de 1,78 y 1,21 en los diez años anteriores. El 90% de las distorsiones podrían atribuirse a una de las siguientes causas:

• Incumplimiento de las instrucciones para la instalación o el mantenimiento de la vía CWR
• interferencia reciente con la consolidación del balasto
• el efecto de las discontinuidades en la vía CWR, como los desvíos, etc.
• factores externos como la subsidencia de la formación. ^{[ 23 ]}

En el accidente ferroviario de Connington South, ocurrido el 5 de marzo de 1967 en Inglaterra, un señalero movió las agujas justo delante de un tren que se aproximaba. En ese lugar se utilizaba señalización mecánica, y se cree que el señalero volvió a colocar incorrectamente la señal que protegía las agujas de peligro justo cuando la locomotora pasaba por allí. Esto liberó el bloqueo de las agujas y las movió hacia una vía de desvío con restricción de velocidad baja. El tren, que viajaba a 121 km/h (75 millas por hora ) , no pudo pasar por las agujas en esa posición y cinco personas murieron. ^{[ 24 ]} 

En 1984 , un tren de pasajeros descarriló en el accidente ferroviario de Polmont, en el Reino Unido, tras chocar a gran velocidad con una vaca. La formación del tren consistía en una locomotora en la parte trasera (impulsora) con un vagón ligero de maniobras al frente. La vaca se había adentrado en la vía desde terrenos agrícolas adyacentes debido a una valla deficiente. Trece personas fallecieron en el descarrilamiento. ^{[ 25 ]} Sin embargo, se cree que este fue el primer caso de este tipo (en el Reino Unido) desde 1948. ^{[ 26 ]}

El accidente ferroviario de Salisbury tuvo lugar el 1 de julio de 1906; un tren especial de primera clase procedente de Stonehousepool, Plymouth, Inglaterra, pasó por la estación de Salisbury a unos 97 km/h (60 millas por hora) ; había una curva pronunciada de diez cadenas (660 pies, 200 m) de radio y una restricción de velocidad a 48 km/h (30 millas por hora) . La locomotora volcó y chocó contra los vagones de un tren lechero en la vía adyacente. Murieron 28 personas. El maquinista estaba sobrio y normalmente era fiable, pero nunca antes había conducido un tren sin paradas por Salisbury. ^{[ 27 ]}    

Se han producido varios descarrilamientos en el Reino Unido debido a que los trenes entraron en tramos de vía con velocidad restringida a una velocidad excesiva; las causas generalmente han sido la falta de atención del conductor debido al alcohol, la fatiga u otras causas. Los casos más destacados fueron el accidente ferroviario de Nuneaton en 1975 (restricción temporal de velocidad en vigor debido a trabajos en la vía, falla en la iluminación de la señal de advertencia), ^{[ 28 ]} el accidente de Morpeth en 1984 (un tren expreso de pasajeros con vagones cama tomó una curva cerrada restringida a 50 millas por hora (80 km/h) a toda velocidad; el alcohol fue un factor; no hubo víctimas mortales debido a la mayor resistencia a los choques de los vehículos) ^{[ 29 ].}