Istoria tehnologiei feroviare

De la inventarea lor, căile ferate au jucat un rol imens în dezvoltarea în continuare a civilizațiilor din întreaga lume. Din Grecia antică până în America modernă, căile ferate au schimbat modul în care oamenii călătoresc și lucrează.

Cea mai veche formă de transport feroviar datează de fapt de la 600 î.C. Grecii au făcut caneluri pe drumurile pavate de calcar pentru a le folosi împreună cu vehiculele cu roți, ușurând transportul bărcilor peste istmul Corintului. Cu toate acestea, când romanii i-au cucerit pe greci în 146 î.C., căile ferate timpurii au căzut în ruină și au dispărut mai mult de 1.400 de ani.

Primul sistem de transport feroviar modern nu a revenit decât în ​​secolul al XVI-lea. Chiar și atunci, ar fi trecut încă trei sute de ani până când invenția locomotivei cu aburi ar transforma transportul feroviar la scară globală. 

Primele căi ferate moderne

Precursorii trenurilor moderne au debutat la începutul anilor 1550 în Germania odată cu introducerea vagoanelor. Aceste drumuri cu balustrade primitive constau din șine de lemn peste care vagoanele sau căruțele trase de cai se puteau deplasa cu mai multă ușurință decât pe drumurile murdare. În anii 1770, șinele de lemn au fost înlocuite cu cele de fier. Aceste vagoane au evoluat spre tramvaie care s-au răspândit în toată Europa. În 1789, englezul William Jessup a proiectat primele vagoane cu roți cu flanșă care au fost canelate, permițând roților să prindă mai bine șina. Această caracteristică importantă de proiectare a fost transmisă mai târziu la locomotive.

Până în anii 1800, căile ferate au fost construite din fontă. Din păcate, fonta a fost predispusă la rugină și a fost fragilă, ceea ce a determinat adesea să eșueze sub stres. În 1820, John Birkinshaw a inventat un material mai durabil numit fier forjat. Această inovație, deși o îmbunătățire față de fontă a fost încă defectă, cu toate acestea, a devenit standard până la apariția procesului Bessemer a permis producția mai ieftină de oțel la sfârșitul anilor 1860, provocând extinderea rapidă a căilor ferate nu numai în toată America, ci în jurul lumea. În cele din urmă, procesul Bessemer a fost înlocuit cu utilizarea cuptoarelor cu vatră deschisă, ceea ce a redus și mai mult costul producției de oțel și a permis trenurilor să conecteze majoritatea marilor orașe din Statele Unite până la sfârșitul secolului XIX.

Revoluția industrială și motorul cu abur

Odată cu pregătirea pentru un sistem avansat de căi ferate, tot ce a mai rămas a fost să găsim un mijloc de a transporta mai multe persoane și mai multe mărfuri pe distanțe mai lungi pe o perioadă mai scurtă de timp. Răspunsul a venit sub forma uneia dintre cele mai semnificative invenții ale Revoluției industriale, motorul cu aburi, care a fost esențial pentru dezvoltarea căilor ferate și a trenurilor moderne.

În 1803, un bărbat pe nume Samuel Homfray a decis să finanțeze dezvoltarea unui vehicul cu aburi pentru a înlocui căruțele trase de cai pe tramvaie. Richard Trevithick a construit acel vehicul, prima locomotivă de tramvai a motorului cu abur. La 22 februarie 1804, locomotiva a transportat o încărcătură de 10 tone de fier, 70 de bărbați și cinci vagoane suplimentare, la nouă mile între fierăria de la Pen-y-Darron, în orașul Merthyr Tydfil, Țara Galilor, până la fundul Abercynnon vale. Călătoria a durat aproximativ două ore până la final.

În 1812, inventatorul englez George Stephenson a devenit inginer de colindare pentru linia feroviară Stockton și Darlington. Până în 1814, își construise prima locomotivă pentru ei. Nu după mult timp, i-a convins pe proprietari să încerce o locomotivă cu aburi. Primul efort a fost numit Locomoţie. În timp ce Stephenson este creditat drept inventatorul primului motor de locomotive cu abur pentru căile ferate, invenția lui Trevithick este citată ca fiind prima locomotivă pentru tramvai.

În 1821, englezul Julius Griffiths a devenit prima persoană care a patentat o locomotivă rutieră pentru pasageri. Până în septembrie 1825, folosind locomotivele lui Stephenson, Compania de căi ferate Stockton & Darlington a lansat prima cale ferată care transporta atât marfă cât și pasageri care călătoresc cu program regulat. Aceste noi trenuri ar putea trage șase mașini de cărbune încărcate și 21 de mașini cu o capacitate de 450 de pasageri pe nouă mile în aproximativ o oră.

Nu după mult timp, Stephenson și-a deschis propria firmă construită, Robert Stephenson and Company. Cel mai cunoscut prototip al său, Racheta lui Stephenson, a fost proiectat și construit pentru Rainhill Trials, un eveniment din 1829 organizat de Liverpool și Manchester Railway pentru a alege cel mai bun design pentru a alimenta noile lor locomotive. rachetă, cea mai avansată locomotivă din zilele sale, a câștigat îndelung și a continuat să stabilească standardul prin care se vor construi cele mai multe motoare cu aburi pentru următorii 150 de ani.

Sistemul feroviar american

Colonelul John Stevens este considerat a fi tatăl căilor ferate din Statele Unite. În 1826, Stevens a demonstrat fezabilitatea locomoției cu aburi pe o pistă circulară experimentală construită la moșia sa din Hoboken, New Jersey - cu trei ani înainte ca Stephenson să perfecționeze o locomotivă cu abur practicată în Anglia.

Lui Stevens i s-a acordat primul charter feroviar din America de Nord în 1815, dar alții au început să primească subvenții și lucrările la primele căi ferate operaționale la scurt timp după. În 1930, Peter Cooper a proiectat și a construit prima locomotivă cu aburi construită în America Tom Thumb, pentru a fi operat pe o cale ferată comună.

O altă inovație importantă a trenurilor din secolul al XIX-lea nu avea nicio legătură cu propulsia sau cu sursa de alimentare. În schimb, totul era vorba despre confortul pasagerilor. George Pullman a inventat Mașina de dormit Pullman în 1857. Deși mașinile adormite au fost utilizate pe căile ferate americane încă din anii 1830, mașina Pullman a fost concepută special pentru călătoriile peste noapte și a fost considerată o îmbunătățire marcată față de predecesorii săi.

Dezavantajele puterii cu abur

În timp ce locomotivele cu aburi au avut un impact incontestabil asupra transportului și expansiunii economice pe parcursul anilor 19^lea secol, tehnologia nu a lipsit dezavantajele sale. Una dintre cele mai problematice a fost fumul rezultat din arderea cărbunelui și a altor surse de combustibil.

În timp ce subprodusele nocive erau tolerabile în mediul rural deschis, chiar mai devreme, pericolele create de eșapamentul de combustibil au devenit cu atât mai evidente, cu cât căile ferate se înghesuie pe zone mai populate, ceea ce, la rândul său, a necesitat un număr tot mai mare de tuneluri subterane pentru a găzdui trenurile destinate urbanului destinații. Într-o situație de tunel, fumul ar putea deveni letal, mai ales dacă un tren s-a blocat sub pământ. Trenurile cu energie electrică păreau o alternativă evidentă, dar tehnologia timpurie a trenurilor electrice pur și simplu nu putea ține pasul cu aburul pe distanțe lungi.

Locomotive electrice Începeți lent

Primul prototip pentru o locomotivă electrică a fost construit în 1837 de chimistul scoțian Robert Davidson, alimentat de baterii galvanice. Următoarea locomotivă a lui Davidson, o versiune mai mare, denumită Galvani, a debutat la expoziția Royal Scottish Society of Arts în 1841. Acesta cântărea șapte tone, avea două motoare de reticență cu tracțiune directă care foloseau electromagneti fixi care acționau pe bare de fier atașate cilindrilor de lemn pe fiecare osie. În timp ce a fost testat pe Edinburgh și Glasgow Railway în septembrie 1841, puterea limitată a bateriilor sale a scuturat proiectul. Galvani a fost distrusă mai târziu de lucrătorii feroviari care considerau tehnologia alternativă ca o potențială amenințare pentru traiul lor.

Creierul lui Werner von Siemens, primul tren electric de pasageri, format dintr-o locomotivă și trei mașini, și-a făcut fetița să ruleze în 1879 la Berlin. Trenul avea o viteză maximă de puțin peste opt mile pe oră (13 km). Pe parcursul a patru luni, a transportat 90.000 de pasageri pe o pistă circulară de 300 de metri (300 de metri). Curentul direct de 150 volți al trenului a fost furnizat printr-o a treia șină izolată.

Liniile de tramvai electrice au început să câștige popularitate, mai întâi în Europa și mai târziu în Statele Unite, după ce prima dată și-a făcut apariția în 1881 în Lichterfelde chiar în afara Berlinului, Germania. Până în 1883, un tramvai electric circula în Brighton, Anglia, iar tramvaiul care a lansat serviciul în apropiere de Viena, Austria, același an a fost primul serviciu regulat care a fost alimentat de o linie aeriană. Cinci ani mai târziu, cărucioarele electrice proiectate de Frank J. Sprague (un inventator care lucrase cândva pentru Thomas Edison) au urcat pe șenile pentru Richmond Union Passenger Railway. 

Tranziția pentru Steam la Electric

Prima linie de cale ferată electrică subterană a fost lansată de către City and South London Railway în 1890. Cinci ani mai târziu, Sprague a creat un sistem de control al tracțiunii (MU) pentru schimbarea jocului pentru unități multiple. Fiecare autoturism a fost echipat cu un motor de tracțiune și relee comandate de motor. Toate mașinile au scos puterea din fața trenului, iar motoarele de tracțiune au funcționat la unison. MU-urile au obținut prima lor instalare practică pentru calea ferată elevată South Side (acum parte a Chicago L) în 1897. Cu succesul invenției lui Sprague, energia electrică a preluat curând ca sursa de alimentare la alegere pentru metrouri..

În 1895, o porțiune de patru mile din linia centurilor Baltimore a căii ferate Baltimore și Ohio (B&O) care a fost conectată la New York a devenit prima linie feroviară americană care a fost electrificată. Locomotivele cu abur s-au tras până la capătul de sud al liniei electrificate și au fost apoi cuplate la trenuri cu alimentare electrică și trase prin tunelurile care înconjurau Baltimore.

New York City a fost una dintre cele mai timpurii care a interzis motoarele cu aburi de la tunelurile lor de tren. În urma unei coliziuni a tunelului Park Avenue din 1902, utilizarea locomotivelor generatoare de fum a fost scoasă în afara legii la sud de râul Harlem. Căile Ferate Centrale din New York au început să folosească locomotive electrice până în 1904. Începând cu 1915, serviciul electrificat Chicago, Milwaukee, St. Paul și Pacific, de-a lungul Munților Stâncoase și spre Coasta de Vest. Până în anii 1930, calea ferată din Pennsylvania își electrificase întregul teritoriu la est de Harrisburg, Pennsylvania.

Odată cu apariția trenurilor pe motorină în anii 1930 și în deceniile următoare, extinderea infrastructurii pentru trenurile electrice a încetinit. În cele din urmă, cu toate acestea, motorina și energia electrică ar fi combinate pentru a crea mai multe generații de electro-dieseluri și hibrizi care au folosit cele mai bune tehnologii și ar continua să devină standard pentru multe linii feroviare..

Tehnologii avansate de tren

În anii ’60 și începutul anilor ’70, exista un interes considerabil pentru posibilitatea de a construi trenuri de pasageri care ar putea călători mult mai rapid decât trenurile convenționale. Din anii ’70, interesul pentru o tehnologie alternativă de mare viteză centrată pe levitație magnetică sau maglev, în care mașinile călăresc pe o pernă de aer creată de reacția electromagnetică dintre un dispozitiv de bord și altul încorporat în calea sa de ghidare.

Prima cale ferată de mare viteză a circulat între Tokyo și Osaka în Japonia și s-a deschis în 1964. De atunci, multe alte astfel de sisteme au fost construite în întreaga lume, inclusiv în Spania, Franța, Germania, Italia, Scandinavia, Belgia, Coreea de Sud, China , Regatul Unit și Taiwan. Statele Unite au discutat, de asemenea, despre instalarea unei linii ferate de mare viteză între San Francisco și Los Angeles și pe coasta de est între Boston și Washington, D.C..

Motoarele electrice și avansările tehnologiilor de transport cu trenul au permis de atunci omului să călătorească cu viteze de până la 320 de mile pe oră. Și mai multe progrese în aceste mașini sunt în stadiul de dezvoltare, inclusiv trenul cu tub Hyperloop, proiectat să atingă viteze de aproape 700 de mile pe oră, care a finalizat primul test de prototip de succes derulat în 2017.