La storia della tecnologia ferroviaria

Sin dalla loro invenzione, le ferrovie hanno avuto un ruolo enorme nello sviluppo ulteriore delle civiltà in tutto il mondo. Dall'antica Grecia all'America di oggi, le ferrovie hanno cambiato il modo in cui gli uomini viaggiano e lavorano.

La prima forma di trasporto ferroviario risale al 600 a.C. I Greci costruirono scanalature su strade lastricate di pietra calcarea da utilizzare in combinazione con veicoli a ruote, facilitando il trasporto di barche attraverso l'istmo di Corinto. Tuttavia, quando i romani conquistarono i Greci nel 146 a.C., le prime ferrovie caddero in rovina e scomparvero per oltre 1.400 anni.

Il primo moderno sistema di trasporto ferroviario non fece ritorno fino al XVI secolo. Anche allora, sarebbero trascorsi altri trecento anni prima che l'invenzione della locomotiva a vapore trasformasse il trasporto ferroviario su scala globale. 

Le prime ferrovie moderne

I precursori dei treni moderni hanno debuttato all'inizio del 1550 in Germania con l'introduzione di vagoni. Queste strade a rotaie primitive consistevano in binari di legno su cui i vagoni o i carri trainati da cavalli erano in grado di muoversi con maggiore facilità rispetto alle strade sterrate. Entro il 1770, i binari di legno erano stati sostituiti con quelli di ferro. Questi vagoni si sono evoluti in tram che si sono diffusi in tutta Europa. Nel 1789, l'inglese William Jessup progettò i primi carri con ruote flangiate che erano scanalate, permettendo alle ruote di afferrare meglio la rotaia. Questa importante caratteristica progettuale è stata portata avanti dalle locomotive successive.

Fino al 1800, le ferrovie erano costruite in ghisa. Sfortunatamente, la ghisa era soggetta alla ruggine ed era fragile, causando spesso guasti sotto stress. Nel 1820, John Birkinshaw inventò un materiale più resistente chiamato ferro battuto. Questa innovazione, sebbene fosse ancora imperfetto un miglioramento rispetto alla ghisa, divenne lo standard fino all'avvento del processo Bessemer che permise la produzione più economica di acciaio alla fine del 1860, innescando la rapida espansione delle ferrovie non solo attraverso l'America ma intorno il mondo. Alla fine, il processo di Bessemer fu sostituito dall'uso di forni a focolare aperto, che ridussero ulteriormente i costi di produzione dell'acciaio e consentirono ai treni di collegare la maggior parte delle principali città degli Stati Uniti entro la fine del XIX secolo.

La rivoluzione industriale e il motore a vapore

Con le basi per un avanzato sistema di ferrovie, tutto ciò che restava da fare era trovare un mezzo per trasportare più persone e più merci per distanze più lunghe per un periodo di tempo più breve. La risposta è arrivata sotto forma di una delle invenzioni più significative della rivoluzione industriale, il motore a vapore, che è stato fondamentale per lo sviluppo della ferrovia e dei treni moderni.

Nel 1803, un uomo di nome Samuel Homfray decise di finanziare lo sviluppo di un veicolo a vapore per sostituire i carrelli trainati da cavalli sui tram. Richard Trevithick costruì quel veicolo, la prima locomotiva a tram del motore a vapore. Il 22 febbraio 1804, la locomotiva trasportava un carico di 10 tonnellate di ferro, 70 uomini e cinque carri extra le nove miglia tra le ferriere di Pen-y-Darron nella città di Merthyr Tydfil, Galles, sul fondo di Abercynnon valle. Il viaggio è durato circa due ore per essere completato.

Nel 1812, l'inventore inglese George Stephenson divenne ingegnere di miniera per la linea ferroviaria di Stockton e Darlington. Nel 1814, aveva costruito la sua prima locomotiva per loro. Non molto tempo dopo, convinse i proprietari a provare una locomotiva a vapore. Il primo sforzo è stato chiamato il Locomozione. Mentre Stephenson è accreditato come l'inventore del primo motore a locomotiva a vapore per ferrovie, l'invenzione di Trevithick è citata come la prima locomotiva a tram.

Nel 1821, l'inglese Julius Griffiths divenne la prima persona a brevettare una locomotiva per passeggeri. Nel settembre del 1825, utilizzando le locomotive di Stephenson, la Stockton & Darlington Railroad Company lanciò la prima ferrovia che trasportava merci e passeggeri viaggiando con orari regolari. Questi nuovi treni potrebbero trainare sei auto a carbone caricate e 21 autovetture con una capacità di 450 passeggeri su nove miglia in circa un'ora.

Non molto tempo dopo, Stephenson ha aperto la sua ditta costruita, Robert Stephenson and Company. Il suo prototipo più famoso, Stephenson's Rocket, fu progettato e costruito per Rainhill Trials, un evento del 1829 tenuto dalle ferrovie di Liverpool e Manchester per scegliere il miglior design per alimentare le loro nuove locomotive. Il Razzo, la locomotiva più avanzata del suo tempo, vinse facilmente e stabilì lo standard con cui la maggior parte dei motori a vapore sarebbe stata costruita per i successivi 150 anni.

Il sistema ferroviario americano

Il colonnello John Stevens è considerato il padre delle ferrovie negli Stati Uniti. Nel 1826, Stevens dimostrò la fattibilità della locomozione a vapore su una pista circolare sperimentale costruita nella sua tenuta a Hoboken, nel New Jersey, tre anni prima che Stephenson perfezionasse una pratica locomotiva a vapore in Inghilterra.

A Stevens fu concessa la prima carta ferroviaria nel Nord America nel 1815, ma altri iniziarono a ricevere sovvenzioni e subito dopo iniziarono i lavori sulle prime ferrovie operative. Nel 1930, Peter Cooper progettò e costruì la prima locomotiva a vapore costruita in America, la Tom Thumb, essere operato su una ferrovia di trasporto comune.

Un'altra importante innovazione del treno del XIX secolo non aveva nulla a che fare con la propulsione o l'alimentazione. Invece, si trattava solo di comfort per i passeggeri. George Pullman inventò la Pullman Sleeping Car nel 1857. Sebbene le macchine per dormire fossero in uso sulle ferrovie americane sin dagli anni '30 del 1800, l'auto Pullman fu progettata specificamente per i viaggi notturni dei passeggeri e fu considerata un netto miglioramento rispetto ai suoi predecessori.

Gli svantaggi di Steam Power

Mentre le locomotive a vapore hanno avuto un impatto innegabile sui trasporti e sull'espansione economica nel corso del 19^esimo secolo, la tecnologia non era priva di inconvenienti. Uno dei più problematici è stato il fumo derivante dalla combustione di carbone e altre fonti di carburante.

Mentre i sottoprodotti nocivi erano tollerabili in aperta campagna, anche all'inizio, i pericoli creati dallo scarico del carburante sono diventati ancora più evidenti quando le ferrovie si sono intrecciate in aree più popolate, che a loro volta hanno reso necessario un numero crescente di tunnel sotterranei per ospitare i treni diretti verso le aree urbane destinazioni. In una situazione di tunnel, il fumo potrebbe diventare letale, soprattutto se un treno si bloccasse sotto terra. I treni alimentati dall'elettricità sembravano un'alternativa ovvia, ma la tecnologia dei primi treni elettrici semplicemente non riusciva a tenere il passo con il vapore per lunghe distanze.

Locomotive elettriche Inizia lentamente

Il primo prototipo per una locomotiva elettrica fu costruito nel 1837 dal chimico scozzese Robert Davidson, alimentato da celle a batteria galvaniche. La prossima locomotiva di Davidson, una versione più grande chiamata Galvani, debuttò alla Royal Scottish Society of Arts Exhibition nel 1841. Pesava sette tonnellate, aveva due motori a riluttanza a trasmissione diretta che utilizzavano elettromagneti fissi che agivano su sbarre di ferro fissate a cilindri di legno su ciascun asse. Mentre fu testato sulla ferrovia di Edimburgo e Glasgow nel settembre del 1841, la potenza limitata delle sue batterie affondò il progetto. Il Galvani fu successivamente distrutto dai lavoratori delle ferrovie che consideravano la tecnologia alternativa come una potenziale minaccia ai loro mezzi di sussistenza.

Nato da un'idea di Werner von Siemens, il primo treno passeggeri elettrico, composto da una locomotiva e tre automobili, fece il suo debutto nel 1879 a Berlino. Il treno aveva una velocità massima di poco più di otto miglia orarie (13 km). Nel corso di quattro mesi, ha trasportato 90.000 passeggeri su una pista circolare di 300 metri. La corrente continua da 150 volt del treno è stata fornita tramite una terza rotaia isolata.

Le linee elettriche del tram iniziarono a guadagnare popolarità, prima in Europa e successivamente negli Stati Uniti, dopo la prima apparizione nel 1881 a Lichterfelde, appena fuori Berlino, in Germania. Nel 1883 un tram elettrico era in funzione a Brighton, in Inghilterra, e il tram che ha lanciato il servizio vicino a Vienna, in Austria, lo stesso anno è stato il primo in servizio regolare ad essere alimentato da una linea aerea. Cinque anni dopo, i carrelli elettrici progettati da Frank J. Sprague (un inventore che una volta aveva lavorato per Thomas Edison) salirono sui binari della Richmond Union Passenger Railway. 

La transizione da Steam ad Electric

La prima linea ferroviaria elettrica sotterranea fu lanciata dalla City e dalla South London Railway nel 1890. Cinque anni dopo, Sprague inventò un sistema di controllo della trazione (MU) multi-unità che cambia il gioco per i treni. Ogni auto era equipaggiata con un motore di trazione e relè controllati da motore. Tutte le auto hanno attinto energia dalla parte anteriore del treno e i motori di trazione hanno funzionato all'unisono. Le MU ottennero la loro prima installazione pratica per la South Side Elevated Railroad (ora parte della Chicago L) nel 1897. Con il successo dell'invenzione di Sprague, l'elettricità prese presto il posto dell'alimentazione elettrica preferita per le metropolitane.

Nel 1895, un tratto di quattro miglia della Baltimore Belt Line della Baltimore and Ohio Railroad (B&O) che collegava a New York divenne la prima linea ferroviaria americana principale ad essere elettrificata. Le locomotive a vapore si fermarono all'estremità meridionale della linea elettrificata, e furono quindi accoppiate a treni elettrici e attraversarono i tunnel che circondavano Baltimora.

New York City fu uno dei primi a vietare le macchine a vapore dai tunnel dei treni. All'indomani di una collisione del tunnel di Park Avenue del 1902, l'uso di locomotive che generavano fumo fu messo fuorilegge a sud del fiume Harlem. La New York Central Railroad iniziò a utilizzare le locomotive elettriche nel 1904. A partire dal 1915, le ferrovie di Chicago, Milwaukee, St. Paul e Pacific Railroad attraversarono le Montagne Rocciose e la costa occidentale. Negli anni '30, la Pennsylvania Railroad aveva elettrificato il suo intero territorio ad est di Harrisburg, in Pennsylvania.

Con l'avvento dei treni diesel negli anni '30 e nei decenni successivi, l'espansione delle infrastrutture per i treni elettrici ha rallentato. Alla fine, tuttavia, il diesel e l'energia elettrica sarebbero stati combinati per creare diverse generazioni di elettro-diesel e ibridi che utilizzavano il meglio di entrambe le tecnologie e sarebbero diventati lo standard per molte linee ferroviarie.

Tecnologie avanzate del treno

Negli anni '60 e nei primi anni '70, c'era un notevole interesse nella possibilità di costruire treni passeggeri che potevano viaggiare molto più velocemente dei treni convenzionali. Dagli anni '70, l'interesse per una tecnologia alternativa ad alta velocità incentrata sulla levitazione magnetica, o maglev, in cui le auto viaggiano su un cuscino d'aria creato dalla reazione elettromagnetica tra un dispositivo di bordo e un altro incorporato nella sua guida.

La prima ferrovia ad alta velocità corse tra Tokyo e Osaka in Giappone e fu aperta nel 1964. Da allora, molti altri sistemi di questo tipo sono stati costruiti in tutto il mondo, tra cui Spagna, Francia, Germania, Italia, Scandinavia, Belgio, Corea del Sud, Cina , il Regno Unito e Taiwan. Gli Stati Uniti hanno anche discusso dell'installazione di una ferrovia ad alta velocità tra San Francisco e Los Angeles e sulla costa orientale tra Boston e Washington, DC..

I motori elettrici e i progressi nelle tecnologie di trasporto ferroviario da allora hanno permesso agli esseri umani di viaggiare a velocità fino a 320 miglia all'ora. Ancora più progressi in queste macchine sono nelle fasi di sviluppo, tra cui il treno della metropolitana Hyperloop, progettato per raggiungere velocità vicine a 700 miglia all'ora, che ha completato la sua prima serie di test di successo nel 2017.