Un train ne peut ni contourner un obstacle ni s'arrêter rapidement. Le même contact d'acier lisse qui permet à une locomotive de déplacer une lourde charge avec peu d'effort, recouvert de pourquoi les chemins de fer suivent les rivières, limite aussi la force avec laquelle les freins peuvent mordre. En ligne droite, un conducteur voit peut-être un kilomètre ou deux devant lui, et un train rapide a besoin d'à peu près cette distance juste pour s'arrêter. La vue seule n'est donc pas un moyen sûr de conduire un chemin de fer, et la signalisation la remplace.
Du temps à l'espace
La méthode la plus ancienne était le intervalle de temps: envoyer les trains à quelques minutes d'intervalle et faire confiance à celui qui précède pour continuer d'avancer. Cela fonctionne jusqu'à ce qu'un train tombe en panne ou s'arrête pour une défaillance, et le suivant arrive alors à pleine vitesse sans aucun avertissement.
La correction était le système de cantons, qui remplace un écart dans le temps par un écart dans l'espace. La ligne est divisée en sections appelées cantons. Un signal garde l'entrée de chacun, et la règle du bloc absolu est simple : un train ne peut entrer dans un canton que s'il est vide. Si le canton suivant est occupé, le signal affiche rouge et le train qui suit attend.
Au début, les aiguilleurs à chaque extrémité d'un canton se signalaient par télégraphe l'entrée et la sortie d'un train. Plus tard, circuits de voie a fait la vérification automatiquement. Une basse tension circule sur un rail et revient par l'autre, à travers un relais. Les roues et essieux d'un train relient les deux rails, ce qui détourne le courant et relâche le relais, et le signal passe au rouge. Une rupture de rail ou une panne d'alimentation relâche le relais de la même façon, donc la plupart des défauts font passer le signal au rouge plutôt qu'au vert. Les ingénieurs appellent cela une conception sécuritaire (fail-safe).
Pourquoi les cantons doivent être longs
Un canton ne peut pas avoir n'importe quelle longueur. Le conducteur a besoin d'un avertissement assez tôt pour s'arrêter avant le signal rouge, et la distance de freinage n'est pas proportionnelle à la vitesse. À freinage constant, la distance est v² ÷ 2a, où v est la vitesse et a est la décélération. Doublez la vitesse et la distance d'arrêt est multipliée par quatre.
L'exemple ci-dessous suppose une décélération de 0.5 m/s², un chiffre choisi pour garder le calcul simple. Les vrais trains varient selon leurs freins, leur charge et l'état des rails, donc lisez les résultats comme une tendance et non comme un horaire. Un mile par heure vaut 0.447 mètre par seconde, donc 100 mph font 44.7 m/s.
Un train à 100 mph a besoin d'environ deux kilomètres, soit plus que ce que la plupart des conducteurs peuvent voir dans un virage ou sous la pluie. Un train à 25 mph a besoin de 125 mètres. Les lignes lentes peuvent avoir des cantons courts, tandis que les lignes rapides en ont besoin de longs ou d'un avertissement supplémentaire.
Feux : l'avertissement avant l'arrêt
Un signal fait plus que dire stop ou go. Son aspect, le motif de feux qu'il affiche, indique aussi au conducteur le signal qui suit. Sur un système standard à trois feux :
- Rouge : arrêt. Le canton suivant est occupé ou n'est pas sûr à entrer.
- Jaune : prudence. Le signal suivant est rouge, soyez donc prêt à vous arrêter là.
- Vert : poursuivez. Le signal suivant est jaune ou vert, donc la voie est libre au moins jusqu'au signal suivant.
Placez les signaux de sorte qu'un train qui passe un jaune à pleine vitesse puisse encore s'arrêter au rouge, et le système est sûr. Pour l'exemple à 100 mph, cela signifie un canton d'environ deux kilomètres, avec le jaune à son début et le rouge à sa fin.
Ce n'est pas toujours pratique, et de nombreuses lignes britanniques rapides utilisent quatre feux à la place. Un double jaune signifie que le signal suivant est un jaune simple, donc l'avertissement est réparti sur deux cantons, et chaque canton peut être plus court qu'une distance d'arrêt complète. Le conducteur dispose de deux étapes d'avertissement au lieu d'une, et un train freine en deux temps au lieu d'un arrêt brutal.
Un feu rouge protège le train qui précède, et non celui qui se trouve au signal. Le système de cantons ne cherche jamais à éviter une collision par la réaction. Il empêche que deux trains se trouvent jamais dans la même section en même temps.
Le prix de la sécurité est la capacité
Comme un train qui suit ne voit du vert que lorsque le signal suivant est jaune ou vert, une ligne à trois feux a besoin d'au moins deux cantons libres entre les trains. Prenez des cantons de deux kilomètres et une vitesse de 100 mph. Deux cantons font quatre kilomètres, et 4,000 m ÷ 44.7 m/s donne environ 90 secondes. C'est l'écart minimal entre deux trains qui se suivent, avant d'ajouter la longueur du train lui-même.
Des cantons plus courts permettraient aux trains de se suivre de plus près, mais seulement sur les lignes où la distance d'arrêt est courte. La limite n'est pas le nombre de signaux ; c'est la distance nécessaire à un train pour s'arrêter. Doubler la vitesse d'une ligne quadruple la distance d'arrêt, donc une marche plus rapide exige des cantons plus longs ou davantage de feux d'avertissement, et cela limite à quel point les trains peuvent se suivre.
Dans Valley Rail: Train Tycoon vous choisissez où va un train et il parcourt l'itinéraire seul, et les passages à niveau ont des signaux automatiques.
Ce qu'il faut en retenir
- Les chemins de fer fonctionnent sur l'espace, et non sur le temps : un train par canton.
- La distance de freinage croît avec le carré de la vitesse, donc 100 mph exigent 16 fois la distance de 25 mph.
- Un avertissement annonce le prochain signal, c'est ainsi qu'un conducteur peut freiner à temps sans voir l'obstacle.
- L'espacement de sécurité et la capacité de la ligne tirent en sens contraire, et la distance de freinage détermine où la ligne est tracée.
Valley Rail: Train Tycoon possède six modèles de trains pour voyageurs et marchandises, d'un train de banlieue à un express profilé, ainsi que des passages à niveau avec signaux automatiques. L'argent gagné à chaque trajet n'existe que dans le jeu et n'a aucune valeur monétaire. Valley Rail est en test fermé et pas encore disponible publiquement.