Dzelzceļa tehnoloģiju vēsture

No Grieķijas sliežu ceļiem līdz rītdienas Hyperloop vilcieniem

Vācu karavīri dzelzceļa vagonā ceļā uz fronti 1914. gada augustā. Public Domain

Kopš izgudrošanas dzelzceļiem ir bijusi milzīga nozīme civilizāciju tālākā attīstībā visā pasaulē. No senās Grieķijas līdz mūsdienu Amerikai dzelzceļi ir mainījuši cilvēku ceļošanas un darba veidus.

Agrākais dzelzceļa transporta veids faktiski ir datēts ar 600. gadu p.m.ē. Grieķi bruģētos kaļķakmens ceļos izveidoja rievas, lai tos izmantotu kopā ar riteņu transportlīdzekļiem, atvieglojot laivu transportēšanu pāri Korintas zemesšaurumam. Tomēr, kad romieši iekaroja grieķus 146. gadā p.m.ē., agrīnie dzelzceļi sabruka un pazuda vairāk nekā 1400 gadus.

Pirmā modernā dzelzceļa transporta sistēma atgriezās tikai 16. gadsimtā. Pat tad paietu vēl trīs simti gadu, līdz tvaika lokomotīves izgudrojums pārveidotu dzelzceļa transportu globālā mērogā.

Pirmais modernais dzelzceļš

Mūsdienu vilcienu priekšteči debitēja 1550. gadu sākumā Vācijā, ieviešot vagonus. Šie primitīvie sliežu ceļi sastāvēja no koka sliedēm, pa kurām zirgu pajūgi vai pajūgi varēja pārvietoties vieglāk nekā pa zemes ceļiem. Līdz 20. gadsimta 70. gadiem koka sliedes tika aizstātas ar dzelzs sliedēm. Šie vagonu ceļi attīstījās par tramvaju ceļiem, kas izplatījās visā Eiropā. 1789. gadā anglis Viljams Džesups izstrādāja pirmos vagonus ar atloku riteņiem, kas bija rievoti, ļaujot riteņiem labāk saķerties ar sliedēm. Šī svarīgā dizaina iezīme tika pārnesta uz vēlākām lokomotīvēm.

Līdz 1800. gadiem dzelzceļi tika būvēti no čuguna. Diemžēl čuguns bija pakļauts rūsai, un tas bija trausls, bieži izraisot tā sabojāšanos stresa apstākļos. 1820. gadā Džons Birkinšovs izgudroja izturīgāku materiālu, ko sauc par kaltu dzelzi. Šis jauninājums, lai gan uzlabojums salīdzinājumā ar čugunu joprojām bija nepilnīgs, tomēr kļuva par standartu līdz pat čuguna parādīšanās brīdim. Bessemer process ļāva lētāk ražot tēraudu 1860. gadu beigās, izraisot strauju dzelzceļu paplašināšanos ne tikai visā Amerikā, bet visā pasaulē. Galu galā Bessemer process tika aizstāts ar martena krāšņu izmantošanu, kas vēl vairāk samazināja tērauda ražošanas izmaksas un ļāva vilcieniem savienot lielāko daļu ASV lielāko pilsētu līdz 19. gadsimta beigām.

Rūpnieciskā revolūcija un tvaika dzinējs

Izstrādājot progresīvu dzelzceļu sistēmu, atlika tikai atrast veidu, kā īsākā laika periodā pārvadāt vairāk cilvēku un vairāk preču garākos attālumos. Atbilde bija viena no visvairāk nozīmīgi izgudrojumi no Industriālā revolūcija , tvaika dzinējs , kas bija ļoti svarīgs mūsdienu dzelzceļa un vilcienu attīstībai.

1803. gadā kāds vīrietis vārdā Semjuels Homfrajs nolēma finansēt ar tvaiku darbināma transportlīdzekļa izstrādi, lai aizstātu zirgu pajūgus uz tramvaju ceļiem. Ričards Trevitiks uzbūvēja šo transportlīdzekli, pirmo tvaika dzinēju tramvaja lokomotīvi. 1804. gada 22. februārī lokomotīve aizveda 10 tonnas dzelzs kravu, 70 vīrus un piecus papildu vagonus deviņas jūdzes starp Pen-y-Darron čuguna rūpnīcām Merthyr Tydfil pilsētā Velsā, uz Abercynnon apakšu. ieleja. Brauciens ilga apmēram divas stundas.

1812. gadā angļu izgudrotājs Džordžs Stīvensons kļuva par Stoktonas un Darlingtonas dzelzceļa līnijas kaltuves inženieri. Līdz 1814. gadam viņš viņiem bija uzbūvējis savu pirmo lokomotīvi. Neilgi pēc tam viņš pārliecināja īpašniekus izmēģināt ar tvaiku darbināmu lokomotīvi. Pirmais mēģinājums tika nosaukts par Kustība . Kamēr Stīvensons tiek uzskatīts par pirmās dzelzceļa tvaika lokomotīves dzinēja izgudrotāju, Trevitika izgudrojums tiek minēts kā pirmā tramvaja lokomotīve.

1821. gadā anglis Jūliuss Grifits kļuva par pirmo personu, kas patentēja pasažieru ceļa lokomotīvi. Līdz 1825. gada septembrim, izmantojot Stīvensona lokomotīves, Stoktonas un Darlingtonas dzelzceļa uzņēmums uzsāka pirmo dzelzceļu, kas pārvadāja gan preces, gan pasažierus, kas ceļoja saskaņā ar regulāru grafiku. Šie jaunie vilcieni varētu vilkt sešas piekrautas ogļu vagonus un 21 pasažieru vagonu ar ietilpību 450 pasažieriem vairāk nekā deviņas jūdzes aptuveni stundas laikā.

Neilgi pēc tam Stīvensons atvēra savu firmu Robert Stephenson and Company. Viņa slavenākais prototips, Stīvensona raķete , tika izstrādāts un būvēts Rainhill Trials — 1829. gada pasākumam, ko organizēja Liverpūles un Mančestras dzelzceļš, lai izvēlētos labāko dizainu savu jauno lokomotīvju darbināšanai. The Raķete , tā laika vismodernākā lokomotīve, uzvarēja un turpināja noteikt standartu, saskaņā ar kuru vairums tvaika dzinēju tiks būvēti nākamajiem 150 gadiem.

Amerikas dzelzceļu sistēma

Pulkvedis Džons Stīvenss tiek uzskatīts par ASV dzelzceļa tēvu. 1826. gadā Stīvenss demonstrēja tvaika lokomotīves iespējamību eksperimentālā apļveida trasē, kas uzbūvēta viņa īpašumā Hobokenā, Ņūdžersijā — trīs gadus pirms Stīvensons Anglijā pilnveidoja praktisku tvaika lokomotīvi.

Stīvensai tika piešķirta pirmā dzelzceļa harta Ziemeļamerikā 1815. gadā, bet citi sāka saņemt dotācijas, un drīz pēc tam sākās darbs pie pirmajiem ekspluatācijas dzelzceļiem. 1930. gadā Pīters Kūpers projektēja un uzbūvēja pirmo Amerikā būvēto tvaika lokomotīvi Toms Īkšķis, ekspluatēt uz kopējā pārvadātāja dzelzceļa.

Vēl vienam nozīmīgam 19. gadsimta vilcienu jauninājumam nebija nekāda sakara ar piedziņu vai strāvas padevi. Tā vietā viss bija par pasažieru komfortu. Džordžs Pulmens 1857. gadā izgudroja Pullman guļamvagonu. Lai gan guļamvagonus Amerikas dzelzceļos izmantoja kopš 1830. gadiem, Pullman vagons bija īpaši paredzēts pasažieru nakšņošanai un tika uzskatīts par ievērojamu uzlabojumu salīdzinājumā ar tā priekšgājējiem.

Steam Power trūkumi

Lai gan ar tvaiku darbināmām lokomotīvēm bija nenoliedzama ietekme uz transportu un ekonomisko izaugsmi 19. gadu laikā.^thgadsimtā tehnoloģija nebija bez trūkumiem. Viens no problemātiskākajiem bija dūmi, kas radās, sadedzinot ogles un citus degvielas avotus.

Lai gan kaitīgie blakusprodukti bija pieļaujami atklātos laukos, pat agri degvielas izplūdes radītie apdraudējumi kļuva vēl pamanāmāki, jo dzelzceļi iejaucās vairāk apdzīvotās vietās, kas savukārt radīja nepieciešamību pēc arvien lielāka pazemes tuneļu skaita, lai uzņemtu vilcienus, kas devās uz pilsētu. galamērķiem. Tuneļa situācijā dūmi var kļūt nāvējoši, it īpaši, ja vilciens ir iestrēdzis zem zemes. Vilcieni, kas darbināmi ar elektrību, šķita acīmredzama alternatīva, taču agrīnā elektrisko vilcienu tehnoloģija vienkārši nespēja tikt galā ar tvaiku lielos attālumos.

Elektriskās lokomotīves sāciet lēni

Pirmo elektriskās lokomotīves prototipu 1837. gadā uzbūvēja skotu ķīmiķis Roberts Deividsons, kuru darbina galvaniskās baterijas. Deividsona nākamā lokomotīve, lielāka versija ar nosaukumu Galvani , debitēja Skotijas Karaliskās mākslas biedrības izstādē 1841. gadā. Tas svēra septiņas tonnas, tam bija divi tiešās piedziņas pretestības motori, kas izmantoja fiksētus elektromagnētus, kas iedarbojās uz dzelzs stieņiem, kas piestiprināti pie koka cilindriem uz katras ass. Kamēr tas tika testēts uz Edinburgas un Glāzgovas dzelzceļa 1841. gada septembrī, tā akumulatoru ierobežotā jauda sagrāva projektu. The Galvani vēlāk to iznīcināja dzelzceļa darbinieki, kuri uzskatīja, ka alternatīvā tehnoloģija var apdraudēt viņu iztikas līdzekļus.

Vernera fon Sīmensa ideja — pirmais pasažieru elektriskais vilciens, kas sastāvēja no lokomotīves un trim vagoniem, pirmo reizi sāka kursēt 1879. gadā Berlīnē. Vilciena maksimālais ātrums bija nedaudz vairāk par astoņām jūdzēm stundā (13 km). Četru mēnešu laikā tas pārvadāja 90 000 pasažieru pa 984 pēdu (300 metru) apļveida sliežu ceļu. Vilciena 150 voltu līdzstrāva tika piegādāta caur izolētu trešo sliedi.

Elektriskās tramvaju līnijas sāka iegūt popularitāti, vispirms Eiropā un vēlāk ASV, pēc tam, kad 1881. gadā Lihterfeldē, Vācijā, netālu no Berlīnes, parādījās pirmās līnijas. Līdz 1883. gadam Braitonā, Anglijā, kursēja elektriskais tramvajs, un tramvajs, kas sāka satiksmi netālu no Vīnes, Austrijā, tajā pašā gadā bija pirmais regulārajā satiksmē, ko darbināja gaisvadu līnija. Pēc pieciem gadiem elektriskie ratiņi, ko projektējis Frenks Dž. Sprags (izgudrotājs, kurš savulaik strādājis Tomasam Edisonam), devās uz Ričmondas Savienības pasažieru dzelzceļa sliedēm.

Pāreja no tvaika uz elektrisko

Pirmo pazemes elektrisko dzelzceļu līniju atklāja Pilsētas un Dienvidlondonas dzelzceļš 1890. gadā. Piecus gadus vēlāk Sprague nāca klajā ar mainīgu daudzu vienību vilces kontroles sistēmu (MU) vilcieniem. Katra automašīna bija aprīkota ar vilces motoru un motora vadītiem relejiem. Visi vagoni saņēma jaudu no vilciena priekšpuses, un vilces motori strādāja vienoti. MU pirmo reizi praktisko uzstādīšanu veica South Side Elevated Railroad (tagad daļa no Čikāgas L) 1897. gadā. Līdz ar Sprāgas izgudrojuma panākumiem elektrība drīz vien kļuva par metro izvēlēto barošanas avotu.

1895. gadā Baltimoras un Ohaio dzelzceļa (B&O) Baltimoras joslas līnijas četru jūdžu posms, kas savienojās ar Ņujorku, kļuva par pirmo Amerikas galveno dzelzceļa līniju, kas tika elektrificēta. Tvaika lokomotīves piebrauca līdz elektrificētās līnijas dienvidu galam, pēc tam tika savienotas ar elektriskajiem vilcieniem un izvilktas cauri tuneļiem, kas ieskauj Baltimoru.

Ņujorka bija viena no agrākajām, kas savos vilcienu tuneļos aizliedza tvaika dzinējus. Pēc 1902. gada Parka avēnijas tuneļa sadursmes, uz dienvidiem no Hārlemas upes tika aizliegta dūmus izraisošu lokomotīvju izmantošana. Ņujorkas Centrālais dzelzceļš sāka izmantot elektriskās lokomotīves līdz 1904. gadam. Sākot ar 1915. gadu, Čikāgas, Milvoki, Sentpolas un Klusā okeāna dzelzceļš elektrificēja pakalpojumus pāri Klinšu kalniem un Rietumkrastu. Līdz 1930. gadiem Pensilvānijas dzelzceļš bija elektrificējis visu savu teritoriju uz austrumiem no Harisburgas, Pensilvānijas štatā.

Līdz ar dīzeļvilcienu parādīšanos 1930. gados un turpmākajās desmitgadēs elektrisko vilcienu infrastruktūras paplašināšanās palēninājās. Tomēr galu galā dīzeļdegvielu un elektroenerģiju apvienotu, lai izveidotu vairākas elektrodīzeļdegvielas un hibrīdu paaudzes, kurās izmantotas labākās no abām tehnoloģijām un kas turpmāk kļūtu par standartu daudzām dzelzceļa līnijām.

Uzlabotas vilcienu tehnoloģijas

60. gados un 70. gadu sākumā bija liela interese par iespēju būvēt pasažieru vilcienus, kas varētu braukt daudz ātrāk nekā parastie vilcieni. Kopš 1970. gadiem interese par alternatīvu ātrgaitas tehnoloģiju, kuras centrā ir magnētiskā levitācija, vai maglev , kurā automašīnas brauc uz gaisa spilvena, ko rada elektromagnētiskā reakcija starp borta ierīci un citu tās vadotnē iestrādātu ierīci.

Pirmais ātrgaitas dzelzceļš kursēja starp Tokiju un Osaku Japānā un tika atklāts 1964. gadā. Kopš tā laika visā pasaulē ir uzbūvēts daudz vairāk šādu sistēmu, tostarp Spānijā, Francijā, Vācijā, Itālijā, Skandināvijā, Beļģijā, Dienvidkorejā un Ķīnā. , Apvienotajā Karalistē un Taivānā. ASV ir arī apspriedušas ātrgaitas dzelzceļa ierīkošanu starp Sanfrancisko un Losandželosu un austrumu krastā starp Bostonu un Vašingtonu, D.C.

Kopš tā laika elektriskie dzinēji un vilcienu transporta tehnoloģiju sasniegumi ir ļāvuši cilvēkiem pārvietoties ar ātrumu līdz 320 jūdzēm stundā. Vēl vairāk šo iekārtu sasniegumu ir izstrādes stadijā, tostarp Hyperloop cauruļu vilciens, kas sasniegs ātrumu gandrīz 700 jūdžu stundā, kas pabeidza savu pirmo veiksmīgo prototipa testa braucienu 2017. gadā.