Pasos a nivel: cómo las barreras automáticas saben que se acerca un tren

Cuando una carretera cruza una vía al mismo nivel, algo tiene que detener el tráfico antes de que llegue el tren. En un paso automático nadie lo hace a ojo. El tren se anuncia a la vía, la vía avisa al equipo, y las luces y las barreras funcionan en un orden fijo. Cada paso usa una idea física sencilla, y la colocación del detector se reduce a una multiplicación.

Detectar el tren

Hay tres formas habituales de saber que un tren está en un tramo de vía.

Circuitos de vía. Se aplica una tensión baja a un carril, recorre el carril, pasa al otro carril y vuelve a través de un relé. Mientras la vía está libre, la corriente mantiene el relé excitado. Cuando llega un tren, sus ruedas y ejes de acero conectan los dos carriles y desvían la corriente lejos del relé, que cae. La misma idea mantiene separados los trenes en la línea principal, como se explica en cómo las señales ferroviarias mantienen separados a los trenes. A relay that has dropped means "occupied", and the crossing equipment reads that as a train in the section.

Contadores de ejes. En lugar de usar las ruedas como cortocircuito eléctrico, un sensor en cada extremo de un tramo cuenta los ejes que entran y los que salen. Si entran 12 ejes y salen 12, el tramo está libre. Si las cifras no coinciden, se considera ocupado. Los contadores de ejes no dependen de una conexión eléctrica limpia a través de los carriles, así que el óxido o las hojas sobre el carril no los confunden.

Pedales. Un pedal es un dispositivo en el lateral del carril que se pisa o detecta cuando pasa la pestaña de una rueda. Registra cada rueda que pasa como un pulso. Los pedales son sencillos y también sirven para contar, así que aparecen en instalaciones antiguas y como complemento de los otros dos.

Dónde va el detector

Detectar un tren en el propio paso de nivel sería inútil. La carretera necesita tiempo primero: las luces parpadean, suenan las campanas, y luego las barreras bajan y los conductores tienen que parar o despejar el cruce. Por eso el detector se sitúa a cierta distancia en la vía, en el punto de activación. When a train reaches it, the sequence starts.

A qué distancia en la vía está depende de dos cosas: la velocidad a la que circula el tren y cuánto tiempo debe durar el aviso. La relación es la básica para cualquier velocidad constante:

distancia = velocidad × tiempo de aviso

El tiempo de aviso es una decisión de diseño, fijada por la autoridad vial o ferroviaria para el cruce concreto. Tiene que cubrir las luces, el recorrido de las barreras y un margen para un vehículo que ya esté dentro. Los 27 segundos usados aquí son una cifra ilustrativa, no una norma de ningún país. Tomemos una velocidad de línea de 100 mph, unos 160 km/h:

• 100 mph × 0.44704 = 44.7 m/s (160 km/h ÷ 3.6 da 44.4 m/s, prácticamente lo mismo).
• 44.7 m/s × 27 s = unos 1,207 m, o alrededor de 1.2 km.

Así que el detector se sitúa unos 1.2 km antes de la carretera. Un tren que pase por él a velocidad de línea llega al cruce 27 segundos después. El siguiente gráfico aplica los mismos 27 segundos a otras velocidades.

Ojo al contraste con la frenada, donde duplicar la velocidad cuadruplica la distancia. Aquí la relación es directa, porque el tren no frena; simplemente recorre el doble de terreno en el mismo tiempo.

El problema de los trenes lentos

El punto de activación es fijo, pero no todos los trenes van a la misma velocidad. Un tren a 25 mph que active un detector colocado para 100 mph tarda 1,207 m ÷ 11.18 m/s, unos 108 segundos, en llegar a la carretera. Las barreras estarían bajadas cuatro veces más de lo necesario, y los conductores esperarían sin nada a la vista. Un cruce que grita «¡lobo!» constantemente enseña a la gente a rodear las barreras.

Por eso los cruces en líneas con velocidades mixtas lo resuelven de una de dos formas. Algunos miden la velocidad con dos detectores a una distancia conocida entre sí, y disparan la secuencia en un punto elegido para esa velocidad. Otros añaden un temporizador, de modo que el aviso se ajusta. Ambas son formas de recuperar el tiempo de aviso previsto sea cual sea la velocidad del tren.

Diseño a prueba de fallos

El principio de seguridad principal es que un fallo debe costar al usuario de la vía algo de comodidad, y nunca algo de seguridad. Los relés están diseñados para caer por gravedad, así que si se corta la energía caen, y un relé caído significa «tren presente». De la misma forma, un carril roto, un cable averiado o una alimentación muerta parecen un tramo ocupado.

El resultado es que la pérdida de energía debe dejar las barreras bajadas, no subidas. Los conductores quedan parados por una barrera innecesaria, lo cual es una molestia. No se les deja cruzar una vía activa sin aviso, lo cual es un peligro. Los fallos del lado equivocado, en los que el equipo muestra seguro cuando no lo es, son los que los diseñadores trabajan más para evitar.

Juntándolo todo

1. Detectar: un tren entra en el tramo de activación y hace caer un relé o cambia un recuento de ejes.
2. Avisar: las luces parpadean y suenan las campanas.
3. Bajar: las barreras bajan una vez que la carretera ha tenido tiempo de reaccionar.
4. Liberar: cuando el tren ha pasado más allá del cruce, el tramo se libera y las barreras suben.

La ficha de Valley Rail: Train Tycoon menciona los pasos a nivel con señales automáticas. No dice cómo detectan los trenes, así que todo lo anterior es ingeniería del mundo real, no una descripción del juego.

Qué sacar de ello

• Los circuitos de vía usan los ejes del tren para cortocircuitar los carriles y hacer caer un relé; los contadores de ejes comparan las cuentas de entrada y salida.
• El detector se sitúa aguas arriba según velocidad × tiempo de aviso. A 100 mph y 27 s son unos 1.2 km.
• La distancia para un tiempo de aviso fijo crece con la velocidad, pero la distancia de frenado crece con su cuadrado.
• A prueba de fallos significa que una avería hace caer los relés y pone las barreras abajo.