Mezzi di Trasporto La Ferrovia

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SCIENZE - MEZZI DI TRASPORTO - LA FERROVIA

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INTRODUZIONE

La ferrovia o strada ferrata è una infrastruttura che trasporta treni per passeggeri o merci. Realizzata su terra, la ferrovia è costituita da due guide metalliche (rotaie) che appoggiano su traversine in legno o cemento armato che le sorreggono e le mantengono parallele l'una all'altra alla stessa distanza (scartamento).

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LA PREISTORIA DELLA FERROVIA

La strada ferrata può essere considerata l'invenzione più rivoluzionaria di tutti i tempi nel campo dei trasporti terrestri. Se, come vedremo, la prima linea ferroviaria fu approntata nel XIX secolo, già gli antichi greci idearono un qualcosa che richiamava il binario: scavarono due solchi profondi nei quali le ruote dei carri entravano perfettamente. In seguito ogni civiltà diede il proprio apporto per un maggiore perfezionamento delle intuizioni di base. Le origini del trasporto ferroviario risalgono alla Rivoluzione industriale (seconda metà del X VIII secolo), quando in Inghilterra si stava vivendo un momento di straordinaria produttività, soprattutto in campo minerario, e si era presentato il problema di trasportare, velocemente e con costi limitati, i materiali estratti dalle miniere (in particolare il carbone) ai porti fluviali o marittimi, da cui sarebbero partiti per la destinazione finale. Prima dell'invenzione dei binari il trasporto di materiale veniva effettuato con carri trainati da cavalli. Per eliminare la resistenza che le ruote del carro incontravano sul fondo stradale vennero costruiti i primi binari, formati da due rotaie in legno ricoperte di lamiera, sulle quali le ruote dei carri scorrevano più facilmente, incontrando molto meno attrito rispetto al fondo stradale. Visti i buoni risultati di queste prime esperienze, furono studiate varie soluzioni per migliorare ulteriormente il sistema di binari. Nel 1789 sir William Jessop ottenne il brevetto per la costruzione di rotaie di nuovo tipo, adatte per ruote con bordino. Erano di ghisa e venivano vendute in pezzi lunghi circa 7 metri e mezzo. Adatte al peso assiale dei carri, non reggevano però il peso delle locomotive e si rompevano spesso, portando i costi di manutenzione alle stelle. Ciò determinò un arresto per alcuni anni nell'evoluzione della locomotiva. Pioniere della ferrovia fu l'ingegnere inglese Richard Trevithick, che nel 1804 adattò con successo un motore a vapore, in uso fin dagli inizi del XVIII secolo per il pompaggio dell'acqua, a una sorta di locomotiva. Occorsero però altri due decenni prima che si riuscissero a produrre binari adatti a reggere il peso di una locomotiva a vapore. Quattro anni dopo, nel 1808, Trevithick installò a Londra, in Euston Square, un binario circolare sul quale correva sbuffando la sua locomotiva, battezzata Catch Me Who Can (mi prenda chi può); i londinesi, pagando solo cinque scellini, potevano ammirarla mentre raggiungeva la ragguardevole velocità di 28 chilometri orari! L'evoluzione della ferrovia e del treno a vapore interessava particolarmente ai proprietari delle miniere e agli imprenditori del tempo, che avrebbero potuto snellire il lavoro risparmiando sui costi. Essi indirono quindi dei veri e propri concorsi, con premi in denaro, per chiunque fosse stato in grado di proporre soluzioni efficienti. Uno di questi concorsi fu vinto da George Stephenson con una locomotiva, che aveva battezzato Rocket (il razzo), in grado di trainare tre volte il suo stesso peso alla velocità di 20 chilometri all'ora! Grazie al successo della sua locomotiva, Stephenson fu corteggiato dagli uomini d'affari inglesi, tanto che Edward Pease, proprietario di una miniera di carbone e di una flottiglia di navi per il trasporto del carbone, lo incaricò di costruire un tracciato ferroviario che unisse Stockton, città di mare, a Darlington, un centro abitato nel mezzo di un importante bacino carbonifero. Nel 1825 fu così inaugurata la prima ferrovia pubblica al mondo, la linea Stockton - Darlington, nell'Inghilterra nord-orientale. Una lapide rinvenuta a Stockton ricorda il primo biglietto ferroviario venduto il 27 settembre 1825. Per alcuni anni trasportò solo merci integrando la forza di traino della locomotiva con quella dei cavalli da tiro.

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LE PRIME LINEE FERROVIARIE

La prima ferrovia pubblica in grado di trasportare anche passeggeri, mossa esclusivamente da locomotive a vapore, fu la Liverpool - Manchester, aperta nel 1830. Anche questa fu progettata da George Stephenson, con l'assistenza del figlio Robert. Il perfetto funzionamento della locomotiva Stephenson, la sua evidente economicità e la maggiore velocità rispetto ai mezzi di trasporto tradizionali fecero sì che la "mania" per la costruzione delle ferrovie travolgesse l'Inghilterra e, rapidamente, tutta l'Europa. Quasi ovunque, in Nord America e in Europa, fu adottato lo scartamento di 1.435 millimetri (detto "normale" in contrapposizione allo scartamento "ridotto" di 950 millimetri), stabilito empiricamente da George Stephenson come il più adeguato. Visto fino ad allora come un mezzo di breve percorrenza utile soprattutto per l'industria estrattiva, il sistema ferroviario fu considerato in grado di rivoluzionare il trasporto a lunga distanza, sia delle merci, sia dei passeggeri. In Inghilterra fra il 1830 e il 1850 furono costruiti quasi 10.000 chilometri di strade ferrate, in Germania 6.080 chilometri e in Francia 3.174 chilometri. Anche in Italia, sebbene con un certo ritardo, vennero portati a termine dei tronchi ferroviari di una certa lunghezza. Il 3 ottobre 1839 fu inaugurata la prima ferrovia italiana, la Napoli - Portici, nel Regno delle Due S i c i l i e: copriva una distanza di appena 8 chilometri e la locomotiva raggiungeva la velocità di 60 chilometri all'ora! Nel 1914 la rete ferroviaria europea era già quasi completamente definita, grazie alla realizzazione delle grandi gallerie ferroviarie transalpine: il Fréjus (tra Francia e Italia, 1871), il San Gottardo (in Svizzera, 1881), l'Arlberg (in Austria, 1883), il Sempione (in Svizzera, 1906).

Modello tridimensionale di antico vagone merci

Modello tridimensionale di vagone postale d'epoca

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LA LOCOMOTIVA A VAPORE

La locomotiva a vapore è una centrale elettrica su due ruote, che trascina con sé le fonti di energia necessarie. In una grande carrozza detta tender trasporta le mattonelle di carbone. L'acqua nel serbatoio trasforma in movimento il calore proveniente dalla combustione del carbone, che arde nella camera di combustione. I vapori bollenti attraversano i tubi di bollitura e scaldano l'acqua nella caldaia. Quando dalla cabina di comando viene aperto il regolatore, il vapore giunge alla macchina a vapore propriamente detta e preme sui pistoni. Una saracinesca provvede al flusso del vapore nei cilindri, alternatamente davanti e dietro, per assicurare il movimento dei pistoni. Le bielle trasmettono la forza alle ruote. Contemporaneamente, il vapore usato giunge nella camera a fumo attraverso lo scappamento che trasporta i gas combusti al camino. La corrente d'aria che si genera ravviva la brace nella camera di combustione. Si producono così il tipico, ritmico battito di scappamento e la nuvola di fumo e vapore. Negli anni Venti, la necessità da parte di alcune ferrovie di trasportare carichi di 4.000-5.000 tonnellate lungo tratti in salita in zone montuose favorì lo sviluppo della locomotiva a vapore articolata. In questo tipo di macchina, una lunga caldaia alimentava due motori separati e indipendenti, in modo che la locomotiva potesse affrontare le curve agevolmente. Verso la fine degli anni Trenta del XX secolo, sulle linee principali dell'Est e del Midwest, prive di dislivelli, vennero messe in funzione locomotive aerodinamiche dotate di grandi ruote, in grado di trainare treni passeggeri a velocità di 145 chilometri all'ora. Le massime velocità raggiunte con locomotive a vapore furono registrate in Europa: il record assoluto fu segnato nel 1938 dalla locomotiva inglese Mallard, che raggiunse i 203 chilometri all'ora. Lo sviluppo del moderno treno passeggeri intercity ebbe inizio dopo il 1860, quando nei treni delle compagnie ferroviarie statunitensi vennero incluse carrozze letto e, più tardi, carrozze ristorante. Queste innovazioni inaugurarono standard di comfort fino ad allora sconosciuti sui treni. Verso la fine del secolo, alcuni treni di lunga percorrenza (come l'Orient Express) erano dotati di arredamento, cucina e servizi talmente raffinati da poter essere definiti "hotel su ruote".

Spaccato di locomotiva a vapore

Tour virtuale nel padiglione ferroviario presso il Museo nazionale della scienza e della tecnologia Leonardo da Vinci di Milano

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LA LOCOMOTIVA A MOTORE

Il principale svantaggio della locomotiva a vapore era la frequenza con cui dovevano essere eseguite le operazioni di manutenzione e rifornimento. Nei primi anni Trenta del XX secolo, la locomotiva a vapore cominciò a essere soppiantata da locomotive che funzionavano con motori diesel, che necessitavano di minore manutenzione, e a trazione elettrica, che potevano funzionare ininterrottamente per giorni e giorni. Negli anni Cinquanta sulle principali ferrovie statunitensi funzionavano oltre 27.600 motrici diesel e solo 1.700 a vapore. Dopo la seconda guerra mondiale i Paesi europei, riparando le linee principali danneggiate dalla guerra, colsero l'occasione per elettrificarle. Nell'Europa occidentale, la modernizzazione dei tracciati e dei sistemi di segnalazione e le nuove tecnologie di trazione permisero di raggiungere velocità di 200 chilometri all'ora.

Spaccato di locomotiva diesel elettrica

Modello tridimensionale della motrice modello GG1 del 1934 delle ferrovie della Pennsylvania

Modello tridimensionale della motrice di un treno

Modello tridimensionale di vettura motrice giapponese per treni passeggeri Kumoha 103

Modello tridimensionale di locomotiva elettrica giapponese

Modello tridimensionale di carrozza passeggeri

Modello tridimensionale di vagone merci

Modello tridimensionale di rincalzatrice ferroviaria Matisa

Modello tridimensionale di vagone ferroviario spazzaneve

Modello tridimensionale di vagone portadetriti

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LA FERROVIA AD ALTA VELOCITÀ

La ferrovia ad alta velocità necessita di linee appositamente dedicate e permette il transito a Treni ad Alta Velocità (TAV) per passeggeri o merci in grado di muoversi a velocità elevate (250-300 chilometri all'ora). Queste linee ferroviarie speciali si differenziano dalle linee classiche per le caratteristiche del tracciato, con poche curve, la tecnologia di posa dell'armamento e i sistemi di sicurezza della marcia. Il primo treno ad alta velocità fu il giapponese Tokaido Shinkansen, lanciato nel 1964, che arrivò a toccare la velocità di 200 chilometri all'ora sulla tratta Tokyo - Nagoya - Kyoto - Osaka. Il Paese europeo a sviluppare per primo la rete ad alta velocità fu la Francia, che nel 1981 collegò Lione e Parigi con la rete TGV (Train à Grande Vitesse: treno ad alta velocità), che consentì di sostenere una velocità costante di 270 chilometri all'ora. Il TGV attualmente serve, con la denominazione Eurostar, anche l'Eurotunnel sotto la Manica e raggiunge Londra in poco più di tre ore. La rete TGV si diffuse gradualmente nelle altre città francesi e nelle altre Nazioni. Dagli anni Ottanta in Italia alcuni collegamenti tra le principali città sono garantiti dall'ETR 450, detto "Pendolino", elettrotreno così denominato per il funzionamento a cassa oscillante che permette di inclinarsi nelle curve, consentendo di raggiungere velocità superiori del 30% rispetto ai treni ad assetto fisso (può raggiungere i 300 chilometri all'ora). Il "Pendolino" effettua servizi rapidi su tratte non Alta Velocità, quindi non può essere definito treno ad alta velocità. I treni ad alta velocità utilizzati in Italia (ETR 500) non sono a cassa oscillante e sono denominati TAV. Nel 2005 fu aperta al pubblico la linea ad alta velocità Napoli - Roma, che fa parte del progetto Firenze - Roma. Sono in fase di costruzione nuovi tronchi di linee che collegheranno Torino - Milano - Bologna - Firenze.

LE GALLERIE

Uno dei più grandi ostacoli che l'uomo, nel corso della storia, si è trovato a dover superare sono state le montagne. Due posti, in linea d'aria vicinissimi ma separati da un monte, potevano essere solo collegati da una strada stretta, lunga e tortuosa. La soluzione più ovvia era quella di scavare una galleria attraverso la montagna: ovvia ma non per questo semplice. La realizzazione di gallerie di una certa lunghezza e importanza divenne possibile soltanto con lo sviluppo degli esplosivi. La prima galleria venne realizzata in Svizzera tra il 1872 e il 1882, utilizzando mine di polvere da sparo; venne scavata nel Gottardo ed era lunga 60 m. La prima galleria ferroviaria fu inaugurata nel 1829 da Stephenson nel tratto da Liverpool a Manchester, e il suo connazionale Brunuel realizzò tra il 1825 e il 1841 una galleria subacquea, che attraversava il Tamigi. L'ulteriore sviluppo degli esplosivi (scoperta degli esplosivi organici) consentì la costruzione di gallerie sempre più lunghe come quella ferroviaria del M o n c e n i s i o sulla linea Torino - Lione, lunga 13 chilometri. Per la sua realizzazione vennero utilizzati la dinamite, altri esplosivi ad alto potenziale e, per la prima volta, perforatrici ad aria compressa. Le più lunghe e moderne gallerie stradali sono: il traforo del Monte Bianco, lungo 12 chilometri (ne fa risparmiare 160!), che collega l'Italia alla Francia; il traforo del Gran S. Bernardo, che collega l'Italia alla Svizzera; la galleria svizzera del Gottardo, lunga 17 chilometri.

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