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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Locomotiva. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Una locomotiva a vapore è una locomotiva autonoma con una centrale elettrica a vapore che utilizza motori a vapore come motore.
La storia della locomotiva a vapore unisce due storie: la storia del binario e la storia della locomotiva. Inoltre, il primo è sorto molto prima del secondo. Sebastian Munster scrive dell'uso delle rotaie di legno nelle miniere nel suo libro, pubblicato nel 1541. Nel XVIII secolo, le rotaie iniziarono a essere realizzate in ghisa e, all'inizio del XIX secolo, in ferro dolce (la ghisa, a causa della sua fragilità, crollò rapidamente). Per molto tempo i binari ferroviari furono costruiti solo nelle miniere, ma poi si diffusero le strade per passeggeri trainate da cavalli. La prima ferrovia di questo tipo fu costruita nel 1801 in Inghilterra tra Wandsworth e Croydon. Per quanto riguarda la locomotiva, potrebbe nascere solo dopo la grande invenzione di Watt. Non appena il motore a vapore ha guadagnato una certa popolarità, ci sono stati molti inventori che hanno cercato di adattarlo alle esigenze di trasporto, ad esempio utilizzando un motore a vapore come motore per un carrello semovente. Il primo tentativo di questo tipo è stato fatto dall'assistente di Watt, Murdoch. Ha capito prima di altri che il motore di un'auto a vapore deve differire nel design da un motore a vapore stazionario. Affinché il carro possa trasportare un carico utile oltre a se stesso, il motore deve essere compatto, leggero e potente. Prima di tutto, Murdoch propose di aumentare la pressione nel cilindro a 3-3 atmosfere (quindi questa pressione era considerata molto alta). Riteneva inoltre necessario abbandonare il condensatore e rilasciare nell'atmosfera il vapore di scarico "per scarico". Nel 5 Murdoch costruì un modello funzionante di un carro a vapore. Tuttavia, Watt ha reagito molto freddamente agli esperimenti del suo assistente e Murdoch ha dovuto abbandonare i suoi esperimenti. Fortunatamente, un adolescente brillante e curioso, Richard Trivaitik, era presente durante gli esperimenti di Murdoch a Redreth. Ciò che vide gli fece una grande impressione e, essendo maturato, dedicò la sua vita alla creazione di veicoli semoventi a vapore. Trivaitik ha iniziato da dove Murdoch si era interrotto. In primo luogo, ha progettato un motore a vapore ad alta pressione che funzionava "per lo scarico" senza condensatore.
Poi, nel 1801-1803, costruì una serie di carri a vapore, che percorrevano con grande successo la cattiva strada da Camborne a Plymouth. In effetti, queste furono le prime auto della storia. Ma prima dell'invenzione dei pneumatici, solo gli appassionati potevano guidare tali macchine. C'erano poche strade buone e nessuna molla ha salvato l'auto e il suo conducente da forti scosse. Inoltre tutte queste strutture erano molto ingombranti e pesanti per potersi muovere lungo strade sterrate.
Trivaitik ha avuto l'idea di mettere un vagone a vapore su rotaie. Nel 1804 creò la sua prima locomotiva a vapore. Questa locomotiva era una caldaia a vapore cilindrica poggiante su due assi. Il focolare era posizionato davanti sotto il camino, in modo che il tender (un carro con il carbone, dove sedeva il fuochista) doveva essere agganciato davanti alla locomotiva. Un lungo cilindro orizzontale di 210 mm di diametro aveva una corsa del pistone di 1 M. Lo stelo del pistone sporgeva molto più avanti della locomotiva ed era sostenuto da una staffa speciale. Da un lato della locomotiva c'era una complessa trasmissione a ingranaggi e ruote su entrambi gli assi, dall'altro un grande volano, come un motore a vapore di fabbrica. Per molti aspetti, questa prima locomotiva a vapore della storia aveva caratteristiche sorprendenti. Quindi, con un peso proprio di 4 tonnellate, ha trasportato cinque carri con un peso totale di 5 tonnellate a una velocità di 8 km / h, vuoto, si è spostato a una velocità di 25 km / h.
Trivaitik non era sicuro che l'attrito tra le ruote e le rotaie sarebbe stato sufficiente per il movimento in avanti della locomotiva. Pertanto, la parte esterna della ruota, che sporgeva oltre le rotaie, era tempestata di teste di chiodi, che venivano premute nelle barre disposte parallele alle rotaie. Tuttavia, molto presto Trivaitik si convinse che non c'era bisogno di questi dispositivi aggiuntivi: la locomotiva poteva muoversi perfettamente su binari lisci e trascinare dietro di sé diversi vagoni. Nonostante le buone prestazioni di guida, la prima locomotiva a vapore non suscitò interesse. Il fatto è che Trivaitik ha dovuto dimostrare la sua progenie sulla ferrovia dei cavalli Merthyr Tydfil. La pesante locomotiva a vapore rompeva costantemente le rotaie in ghisa. Era ovvio che per lui avrebbero dovuto essere costruiti percorsi speciali. Tuttavia, i proprietari delle miniere, che Trivaitik voleva interessarsi alla locomotiva a vapore, non volevano investire nella costruzione di una nuova strada e si rifiutarono di finanziare l'inventore. Negli anni successivi, Trivaitik progettò e costruì molte altre locomotive a vapore. La locomotiva a vapore del 1808 fu un ulteriore passo avanti. Trivaitik ha rimosso l'ingombrante treno di ingranaggi. Il movimento dal cilindro verticale veniva trasmesso attraverso semplici bielle con manovelle all'asse posteriore. Parte del vapore di scarico è stato utilizzato per riscaldare l'acqua nella caldaia e parte è stata rilasciata attraverso un foro ristretto nel camino per aumentare il tiraggio nel forno. Questa locomotiva a vapore migliorata raggiungeva a vuoto la velocità di 30 km/h. Tuttavia, nessuno era interessato a un'auto così meravigliosa. Nel 1811, essendo finalmente fallito, Trivaitik dovette interrompere i suoi esperimenti. Il suo problema era che aveva presentato la sua invenzione troppo presto. Non solo il ferro, ma anche la ghisa erano ancora troppo costosi. Pertanto, la costruzione delle ferrovie sembrava non redditizia. C'erano anche pochissime macchine per il taglio dei metalli ad alta precisione. Tutte le parti della locomotiva dovevano essere realizzate a mano e il loro costo era elevato. Inoltre, ci fu una guerra con Napoleone, l'Inghilterra fu vincolata da un blocco continentale e tutti i progetti che richiedevano grandi investimenti di capitale non potevano essere implementati. Ma, naturalmente, nessuna difficoltà può fermare il pensiero tecnico. Apparvero nuovi inventori che iniziarono la creazione di una locomotiva a vapore. Per molto tempo è stata diffusa tra i meccanici la convinzione che una ruota liscia non potesse rotolare su una rotaia di ferro liscia. Cercando di evitare questo pericolo immaginario, alcuni inventori hanno imboccato una strada sbagliata. Nel 1812 Blenkiston, uno dei proprietari della Middleton Colliery nello Yorkshire, costruì una piccola ferrovia lunga 6 km tra Middleton e Leeds appositamente per la locomotiva a vapore. Nello stesso anno, il meccanico Murray costruì una locomotiva a vapore secondo il progetto Blankiston, che aveva prestazioni tecniche abbastanza buone. Si muoveva su binari ordinari e aveva ruote con cerchioni lisci. Ma il movimento è stato effettuato con l'aiuto di una ruota dentata che rotolava lungo una cremagliera posata accanto a binari lisci. La macchina aveva due cilindri a vapore. Le manovelle del motore erano sfalsate l'una dall'altra di 90 gradi. Quando uno di loro era fermo, l'altro in quel momento agiva con la massima forza.
Fu la prima macchina a vapore a doppio effetto in grado di partire da qualsiasi posizione della manovella. La locomotiva a vapore Murray potrebbe trasportare 20 tonnellate di carico utile ad una velocità di 6 km/h. Con un carico più leggero, potrebbe affrontare salite molto ripide. Molte di queste locomotive a vapore furono costruite per servire le miniere, ma non furono ampiamente utilizzate a causa del fatto che avevano una velocità molto bassa, un prezzo elevato ed erano spesso inattive a causa della rottura dei binari. Un altro inventore, Brunton, nel 1813 costruì una locomotiva a vapore con due meccanismi che, come le gambe, avrebbero dovuto spingere da terra e far avanzare l'auto (durante la prima prova, questa locomotiva esplose, poiché sono stati commessi errori nel calcolo del caldaia).
Fu presto dimostrato che una ruota liscia poteva muoversi lungo una rotaia liscia. Due inventori - Blackett e Headley - costruirono un carrello speciale con bordi lisci, che era azionato da un treno di ingranaggi da persone su di esso. Il ferro veniva caricato sul carro, variandone così il peso. Nel corso di questi esperimenti, è stato dimostrato che l'attrito delle ruote motrici del carrello (cioè quelle ruote che ricevevano giri dal motore) era 50 volte superiore all'attrito delle ruote che rotolavano liberamente lungo il binario. Pertanto, grazie all'arresto delle sue ruote motrici, qualsiasi locomotiva potrebbe trainare un carico 50 volte maggiore del suo carico di accoppiamento (il peso che cade sulle ruote di una locomotiva a vapore accoppiata a un motore). Nel 1815, Blackett e Hadley assemblarono un ottimo motore, chiamato "Puffing Billy". Con i disegni di Trivaitik a loro disposizione, hanno potuto sfruttare molti dei suoi sviluppi. Per molto tempo, i progettisti hanno lottato con il problema che tutti gli inventori della locomotiva a vapore dell'epoca hanno dovuto affrontare: come ridurre il carico sull'asse in modo che la locomotiva non rompesse i binari. All'inizio ciò accadeva troppo spesso, tanto che prima di ogni viaggio il tender doveva essere caricato con una scorta di rotaie in ghisa. Infine, Blackett e Hadley misero la caldaia sullo stesso telaio del tender, dotandola di quattro paia di ruote, in modo che "Billy" avesse quattro assi motori. Solo dopo ha smesso di rovinare le tracce. Questa locomotiva è stata utilizzata presso la miniera fino al 1865, dopodiché è stata consegnata al Museo di Londra.
Nel frattempo, la vittoria finale su Napoleone ha portato a un cambiamento nelle condizioni del mercato. L'Inghilterra è entrata in un periodo di nuova ascesa industriale. La domanda di carbone aumentò notevolmente, per cui i proprietari delle miniere divennero sempre più consapevoli della necessità del trasporto a vapore. Ora molti di loro erano pronti a finanziare esperimenti sulla costruzione di locomotive a vapore. A quel tempo, l'idea della trazione a vapore era nell'aria, diverse dozzine di meccanici lavorarono su di essa in diversi luoghi dell'Inghilterra contemporaneamente, sviluppando vari progetti di locomotive a vapore. Le locomotive progettate e costruite da George Stephenson si sono rivelate più efficaci di altre. Nel 1812, come capo meccanico delle miniere di Killingworth, Stephenson propose al suo maestro, Thomas Liddell, il progetto della sua prima locomotiva a vapore. Ha accettato di pagare per la sua costruzione. Nel 1814 i lavori furono completati. La locomotiva, che ha ricevuto il nome "Blucher", è stata coinvolta nella manutenzione della miniera. Nel design, somigliava molto alla locomotiva a vapore Blenkinston, ma senza ruota motrice. Aveva due cilindri di vapore posizionati verticalmente; il movimento dal pistone veniva trasmesso da bielle a due rampe di testa. Queste piste erano collegate da una ruota dentata. Il tender era separato dalla locomotiva e agganciato nella parte posteriore. "Blucher" poteva trasportare un carico del peso di 30 tonnellate, ma non poteva affrontare salite ripide e sviluppava una velocità di soli 5 km / h con un carico. Per molti aspetti, era inferiore al "Puffing Billy" e dopo un anno di attività si rivelò solo leggermente più redditizio dei cavalli usati prima. Il motivo del fallimento era la debole trazione. Il vapore di scarico veniva rilasciato direttamente nell'aria e non in un tubo, dove poteva aumentare il tiraggio nel forno. Stephenson ha eliminato questa mancanza in primo luogo. Dopo che il vapore di scarico ha iniziato a fluire nel tubo, la spinta è aumentata. La locomotiva migliorata era già seriamente in competizione con i cavalli e Liddell diede volentieri soldi per continuare gli esperimenti.
Nel 1815 Stephenson costruì la sua seconda locomotiva a vapore. In questo progetto, ha abbandonato il collegamento degli assi con una trazione integrale. Le caldaie a vapore verticali erano posizionate direttamente sopra gli assi e il movimento dai pistoni veniva trasmesso direttamente agli assi motori, accoppiati a una catena. Nel 1816 fu completato il terzo motore "Killingworth". Per lui, Stephenson ha inventato e applicato per la prima volta le molle (prima di allora, la caldaia era installata direttamente sul telaio, a seguito della quale la locomotiva ha letteralmente scosso l'anima del conducente, rimbalzando sulle articolazioni). Allo stesso tempo, Stephenson ha lavorato per migliorare la pista. Le rotaie di ferro fragili erano ampiamente utilizzate a quel tempo. Quando si sposta una pesante locomotiva a vapore, di tanto in tanto scoppiano alle articolazioni. Stephenson ha inventato l'articolazione obliqua e ne ha brevettato. Tuttavia, allo stesso tempo gli divenne del tutto chiaro che finché le rotaie in ghisa non fossero state sostituite da quelle in ferro, non ci si poteva aspettare miglioramenti cardinali. Il ferro era molte volte più costoso della ghisa ei proprietari erano riluttanti a costruire strade così costose. Ma Stephenson ha dimostrato che è vantaggioso utilizzare locomotive a vapore solo quando la loro forza di trazione è sufficientemente grande. Affinché le locomotive a vapore possano trasportare grandi treni e sviluppare velocità significative, è necessario risolutamente, senza badare a spese, ricostruire le esistenti ippovia, lungo le quali dovevano viaggiare le prime locomotive a vapore, sotto due aspetti: ammorbidire i pendii e rafforzare le rotaie. Stephenson è riuscito a realizzare queste idee in pochi anni.
Nel 1821, Edgar Pease, uno dei proprietari della miniera di Darlington, fondò una società per costruire una ferrovia da Darlington a Stockton e incaricò Stephenson di costruirla. La lunghezza totale della strada con diramazioni laterali era di 56 km. È stata un'impresa significativa per quei tempi e Stephenson ha intrapreso con entusiasmo la sua attuazione. Riuscì con grande difficoltà a persuadere Pisa ei suoi compagni a mettere delle ringhiere di ferro per metà della strada invece di quelle di ferro, sebbene costassero il doppio. Il 19 settembre 1825 passò solennemente lungo la strada il primo treno di 34 carrozze. Sei di loro erano carichi di carbone e farina, il resto aveva panchine per il pubblico. Tutti questi vagoni erano trainati da una nuova locomotiva a vapore "Movement", gestita dallo stesso Stephenson. Al suono della musica e delle allegre esclamazioni dei passeggeri, il treno passò con successo a Stockton.
La velocità media del treno era di 10 km/h. Davanti alla locomotiva, un pilota con una bandiera stava galoppando, chiedendo al pubblico di liberare le rotaie. In alcuni tratti doveva correre a tutta velocità, perché il treno accelerava fino a 24 km/h. In totale, su questo volo sono stati trasportati più di 600 passeggeri. Insieme al resto del carico, questo pubblico pesava circa 90 tonnellate.
Con la riuscita costruzione della Darlington-Stockton Road, il nome di Stephenson divenne ampiamente noto. Nel 1826, il consiglio di amministrazione della Manchester-Liverpool Road Transport Company offrì a Stephenson il posto di capo ingegnere con uno stipendio di £ 1000. La costruzione di questa strada fu di grande difficoltà, poiché attraversava un terreno molto accidentato. Si dovettero erigere diverse strutture artificiali: terrapieni, scavi, gallerie, ecc. Furono costruiti alcuni ponti 63. Sotto la stessa Liverpool, fu necessario realizzare un tunnel lungo 2 km nel terreno roccioso. Poi ho dovuto fare un taglio in una roccia alta sabbiosa (in totale, durante questo lavoro, sono stati rimossi 4 mila metri cubi di pietra). Particolarmente difficile è stata la costruzione di una tela attraverso le torbiere di Chet Moss, larga 480 km e profonda 6 m. Il costo totale dell'opera ha presto superato tutte le stime preliminari, mentre Stephenson ha chiesto insistentemente la posa di costose rotaie di ferro anziché di getto a buon mercato. ringhiere di ferro. Gli ci volle tutta la sua eloquenza e tutta la sua autorità per dimostrare ai direttori che così, e non altrimenti, si devono costruire le ferrovie. Alla fine, tutti gli ostacoli sono stati superati con successo. Nel 1829, quando la strada era in via di completamento ed era già necessario pensare al materiale rotabile, la società bandì un concorso libero per il miglior progetto di locomotiva. Vicino a Rainhill è stata assegnata una nuova sezione lunga 3 km. Le locomotive a vapore partecipanti al concorso hanno dovuto coprire questa distanza 20 volte. Stephenson ha esposto a Rainhill la sua nuova locomotiva a vapore "Rocket", costruita nella sua fabbrica secondo le ultime tecnologie dell'epoca. Già nel 1826 sviluppò il progetto di una locomotiva con cilindro inclinato (per la prima volta fu testata sulla locomotiva a vapore "America"). Ciò ha permesso di ridurre lo spazio dannoso nei cilindri, che, con la loro disposizione verticale, era molto importante. Anche la caldaia a vapore è stata notevolmente migliorata e per la prima volta sono stati utilizzati tubi per il fumo, di cui si deve dire di più. In generale, la caldaia a vapore era uno dei componenti più importanti della locomotiva a vapore, da cui dipendevano in gran parte le sue caratteristiche tecniche. Gli furono imposti numerosi requisiti: con un piccolo consumo di carbone e acqua, doveva fornire la massima quantità possibile di vapore elastico. Questo effetto potrebbe essere ottenuto, innanzitutto, aumentando l'area di contatto tra acqua e gas caldi.
Le prime locomotive a vapore utilizzavano una semplice caldaia cilindrica. Qui D è un tappo dove viene raccolto il vapore, condotto alle valvole del vapore attraverso uno dei tubi B (l'altro era collegato alla valvola di sicurezza). La caldaia aveva una griglia inclinata R, attraverso la quale l'aria atmosferica veniva inviata al carbone versato attraverso l'imbuto T. Il carbone scorreva lungo l'imbuto mentre bruciava, con la combustione più forte che si verificava sul fondo della griglia; la fiamma da lì saliva sotto la volta spiovente G, dove c'era un'apertura b, attraverso la quale i gas caldi entravano nel primo camino F sotto la caldaia. Quindi questi gas entravano c e nel camino laterale F, e attraverso il raccordo d sul lato anteriore passavano di nuovo lungo F fino al retro della caldaia, da dove erano già defluiti nel camino. Pertanto, la caldaia, per così dire, veniva fatta circolare con aria calda da tutti i lati. La porta cenere K e la serranda S erano semplici dispositivi con cui il fuochista regolava il flusso d'aria nel focolare.
La modifica più semplice di una caldaia cilindrica era una caldaia con un tubo di fiamma, in cui il primo camino non passava sotto la caldaia, ma al suo interno. Il passo successivo fu la caldaia tubolare, inventata nel 1828 dall'ingegnere francese Seguin. All'interno di questa caldaia passavano tubi di fumo in metallo, attraverso i quali il gas caldo si spostava dalla fornace al camino. In una caldaia tubolare, la superficie di riscaldamento era molto più grande che in una cilindrica. Allo stesso tempo, una parte molto più grande del calore è andata alla vaporizzazione e una parte relativamente più piccola è volata nel camino. Sul "Rocket" la superficie riscaldante totale della caldaia era di circa 13 mq, di cui 11 rappresentavano i tubi, quindi, a parità di dimensioni, la produttività della caldaia era molto maggiore.
Le gare di Rainhill sono diventate un evento importante nella storia della locomotiva; si ritiene che abbiano concluso il periodo della sua infanzia. La competizione ha visto la partecipazione di circa 10mila spettatori, e questo soprattutto parla del grande interesse del pubblico comune per il trasporto a vapore. Le speranze che Stephenson riponeva nella sua creazione erano pienamente giustificate. 10 ottobre "Rocket", andando a vuoto, ha sviluppato una velocità record per quei tempi di 48 km / h. Con un peso proprio di 4 tonnellate, questa locomotiva trainava liberamente un treno con un peso totale di 5 tonnellate a una velocità di 17 km / h. La velocità della locomotiva a vapore con un'autovettura ha raggiunto i 21 km / h. Con tutte le misure, il "Rocket" era un ordine di grandezza migliore di tutte le altre locomotive e il premio di 500 sterline è stato assegnato a Stephenson. Lo condivise con il suo assistente Booth, che propose l'idea di una caldaia tubolare (né Booth né lo stesso Stephenson a quel tempo sapevano nulla dell'invenzione di Seguin). La "Rocket" può essere considerata una locomotiva a vapore del tutto perfetta, poiché aveva tutte le caratteristiche più importanti delle locomotive successive: 1) la fornace era circondata dall'acqua della caldaia; 2) la caldaia era posizionata orizzontalmente e aveva tubi di fuoco; 3) il vapore entrava nel camino, aumentando il tiraggio e aumentando la temperatura del forno; 4) la potenza del vapore veniva trasmessa alle ruote attraverso le bielle prive di ingranaggi. L'anno successivo viene inaugurata la linea Liverpool - Manchester. La costruzione della strada richiese investimenti di capitale inauditi a quel tempo. Il costo totale della posa è stato di 739 mila sterline. Tuttavia, la necessità di questa strada era così grande che ha pagato abbastanza rapidamente. Questa è stata la migliore raccomandazione per un nuovo modo di trasporto. Alcuni anni dopo, iniziò la rapida costruzione di ferrovie in tutto il mondo. L'era della locomotiva a vapore era iniziata. Il significato della strada Liverpool-Manchester in questo processo non può essere sopravvalutato: è stato il primo grande progetto di costruzione ferroviaria tecnicamente corretto della storia. Molte delle scoperte di Stephenson, riguardanti la costruzione di argini, la costruzione di dighe e tunnel, la posa di binari e traversine, ecc., In seguito divennero un modello per altri ingegneri. I cambiamenti su larga scala causati dall'uso diffuso delle locomotive a vapore furono così enormi che si può dire senza esagerare: hanno cambiato la faccia del mondo. Prima dell'invenzione delle ferrovie, le più importanti città industriali si trovavano lungo la costa o sui fiumi navigabili. Le navi a vela fungevano da principale mezzo di trasporto. All'interno del paese il trasporto di merci avveniva con veicoli trainati da cavalli e in tutti i paesi le strade erano in pessime condizioni. In assenza di strade, l'industria non potrebbe svilupparsi. Molti territori che avevano minerali erano comunque destinati all'inattività. Il passaggio al trasporto a vapore ha portato a un aumento significativo della velocità di movimento e del turnover delle merci, nonostante il costo del trasporto sia notevolmente diminuito. Le zone più remote furono ben presto collegate per ferrovia con centri industriali, porti e fonti di materie prime, e furono coinvolte nel ritmo generale della vita economica. La distanza cessò di essere un ostacolo e l'industria ricevette un forte impulso per il suo sviluppo. Autore: Ryzhov KV
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