Historien om jernbaneteknologi

Fra greske spor til morgendagens Hyperloop-tog

Tyske soldater i en jernbanevogn på vei til fronten i august 1914. Public Domain

Siden oppfinnelsen deres har jernbaner spilt en stor rolle i å videreutvikle sivilisasjoner rundt om i verden. Fra antikkens Hellas til dagens Amerika, har jernbaner endret måten mennesker reiser og jobber på.

Den tidligste formen for jernbanetransport dateres faktisk tilbake til 600 f.Kr. Grekerne laget riller i asfalterte kalksteinsveier for å bruke sammen med kjøretøyer med hjul, noe som letter transporten av båter over Isthmus of Corinth. Men da romerne erobret grekerne i 146 f.Kr., falt tidlige jernbaner i ruiner og forsvant i mer enn 1400 år.

Det første moderne jernbanetransportsystemet kom ikke tilbake før på 1500-tallet. Selv da ville det gå ytterligere tre hundre år før oppfinnelsen av damplokomotivet ville forvandle jernbanetransport på global skala.

De første moderne jernbanene

Forløperne til moderne tog debuterte på begynnelsen av 1550-tallet i Tyskland med introduksjonen av vognbaner. Disse primitive skinneveiene besto av treskinner som hestetrukne vogner eller kjerrer var i stand til å bevege seg over med større letthet enn over grusveier. På 1770-tallet hadde treskinner blitt erstattet med jern. Disse vognbanene utviklet seg til sporveier som spredte seg over hele Europa. I 1789 designet engelskmannen William Jessup de første vognene med flensede hjul som var rillet, slik at hjulene bedre grep om skinnen. Denne viktige designfunksjonen ble videreført til senere lokomotiver.

Fram til 1800-tallet ble jernbaner konstruert av støpejern. Dessverre var støpejern utsatt for rust og det var sprøtt, noe som ofte førte til at det mislyktes under stress. I 1820 oppfant John Birkinshaw et mer holdbart materiale kalt smijern. Denne innovasjonen, selv om en forbedring i forhold til støpejern fortsatt var mangelfull, ble den standarden frem til bruken av Bessemer prosessen muliggjorde billigere produksjon av stål på slutten av 1860-tallet, og utløste den raske utvidelsen av jernbaner ikke bare over hele Amerika, men rundt om i verden. Etter hvert ble Bessemer-prosessen erstattet av bruk av ovner med åpen ild, noe som ytterligere reduserte kostnadene for stålproduksjon og tillot tog å koble sammen de fleste større byer i USA innen slutten av 1800-tallet.

Den industrielle revolusjonen og dampmaskinen

Med grunnlaget lagt for et avansert jernbanesystem, var det bare å finne et middel til å frakte flere mennesker og mer gods over lengre avstander over kortere tid. Svaret kom i form av en av de mest betydelige oppfinnelser av Industrielle revolusjon , den dampmaskin , som var avgjørende for utviklingen av den moderne jernbanen og tog.

I 1803 bestemte en mann ved navn Samuel Homfray seg for å finansiere utviklingen av et dampdrevet kjøretøy for å erstatte hestevognene på trikkene. Richard Trevithick bygde det kjøretøyet, det første lokomotivet med dampmotortrikke. Den 22. februar 1804 dro lokomotivet en last på 10 tonn jern, 70 mann og fem ekstra vogner de ni milene mellom jernverket ved Pen-y-Darron i byen Merthyr Tydfil, Wales, til bunnen av Abercynnon dal. Turen tok omtrent to timer å fullføre.

I 1812, engelsk oppfinner George Stephenson ble kullingeniør for Stockton og Darlington Railway Line. I 1814 hadde han bygget sitt første lokomotiv for dem. Ikke lenge etter overbeviste han eierne om å prøve et dampdrevet lokomotiv. Den første innsatsen ble kalt Bevegelse . Mens Stephenson er kreditert som oppfinneren av den første damplokomotivmotoren for jernbaner, blir Trevithicks oppfinnelse sitert som det første trikkelokomotivet.

I 1821 ble engelskmannen Julius Griffiths den første personen som patenterte et passasjerlokomotiv. I september 1825, ved å bruke Stephensons lokomotiver, lanserte Stockton & Darlington Railroad Company den første jernbanen for å frakte både gods og passasjerer som reiste på vanlige rutetider. Disse nye togene kunne trekke seks lastede kullvogner og 21 personbiler med en kapasitet på 450 passasjerer over ni mil på omtrent en time.

Ikke lenge etter det åpnet Stephenson sitt eget firma, Robert Stephenson and Company. Hans mest kjente prototype, Stephensons rakett , ble designet og bygget for Rainhill Trials, et arrangement i 1829 holdt av Liverpool og Manchester Railway for å velge det beste designet for å drive sine nye lokomotiver. De Rakett , det mest avanserte lokomotivet på sin tid, vant praktisk og fortsatte med å sette standarden som de fleste dampmaskiner ville bli bygget etter de neste 150 årene.

Det amerikanske jernbanesystemet

Oberst John Stevens regnes for å være faren til jernbaner i USA. I 1826 demonstrerte Stevens gjennomførbarheten av damplokomotiv på en eksperimentell sirkelbane bygget på eiendommen hans i Hoboken, New Jersey - tre år før Stephenson perfeksjonerte et praktisk damplokomotiv i England.

Stevens fikk det første jernbanecharteret i Nord-Amerika i 1815, men andre begynte å motta tilskudd og arbeidet begynte med de første operative jernbanene like etter. I 1930, Peter Cooper designet og bygde det første amerikanskbygde damplokomotivet Tom Tommel, skal drives på en vanlig jernbane.

En annen stor toginnovasjon på 1800-tallet hadde ikke noe med fremdrift eller strømforsyning å gjøre. I stedet handlet det om passasjerkomfort. George Pullman oppfant Pullman Sleeping Car i 1857. Selv om sovevogner hadde vært i bruk på amerikanske jernbaner siden 1830-tallet, ble Pullman-bilen designet spesielt for overnatting med passasjerer og ble ansett som en markant forbedring i forhold til forgjengerne.

Ulempene med Steam Power

Mens dampdrevne lokomotiver hadde en ubestridelig innvirkning på transport og økonomisk ekspansjon i løpet av de 19.^thårhundre var teknologien ikke uten ulemper. En av de mest problematiske var røyken som kom fra brenning av kull og andre drivstoffkilder.

Mens de skadelige biproduktene var tolerable i åpent landskap, selv tidlig, ble farene skapt av drivstoffeksos desto tydeligere etter hvert som jernbaner gikk inn i mer befolkede områder, noe som igjen nødvendiggjorde et økende antall underjordiske tunneler for å ta imot tog på vei til urbane områder. reisemål. I en tunnelsituasjon kan røyk bli dødelig, spesielt hvis et tog kjørte seg fast under bakken. Tog drevet av elektrisitet virket som et åpenbart alternativ, men tidlig elektrisk togteknologi kunne rett og slett ikke holde tritt med damp over lange avstander.

Elektriske lokomotiver får en treg start

Den første prototypen for et elektrisk lokomotiv ble bygget i 1837 av den skotske kjemikeren Robert Davidson, drevet av galvaniske battericeller. Davidsons neste lokomotiv, en større versjon kalt Galvani , debuterte på Royal Scottish Society of Arts Exhibition i 1841. Den veide syv tonn, hadde to direktedrevne reluktansmotorer som brukte faste elektromagneter som virket på jernstenger festet til tresylindere på hver aksel. Mens den ble testet på Edinburgh og Glasgow Railway i september 1841, ødela den begrensede kraften til batteriene prosjektet. De Galvani ble senere ødelagt av jernbanearbeidere som så på den alternative teknologien som en potensiell trussel mot deres levebrød.

Ideen til Werner von Siemens, det første elektriske persontoget, bestående av et lokomotiv og tre vogner, kjørte sin jomfrutur i 1879 i Berlin. Toget hadde en maksimal hastighet på litt over åtte miles per time (13 km). I løpet av fire måneder fraktet den 90 000 passasjerer på en 984 fot (300 meter) rund bane. Togets 150-volts likestrøm ble levert via en isolert tredje skinne.

Elektriske trikkelinjer begynte å få popularitet, først i Europa og senere i USA, etter at de første dukket opp i 1881 i Lichterfelde like utenfor Berlin, Tyskland. I 1883 kjørte en elektrisk trikk i Brighton, England, og trikken som startet tjenesten nær Wien, Østerrike, samme år var den første i vanlig tjeneste som ble drevet av en luftledning. Fem år senere tok elektriske traller designet av Frank J. Sprague (en oppfinner som en gang jobbet for Thomas Edison) sporene for Richmond Union Passenger Railway.

Overgangen for damp til elektrisk

Den første underjordiske elektriske jernbanelinjen ble lansert av City and South London Railway i 1890. Fem år senere kom Sprague med et spill-endrende multi-unit traction control system (MU) for tog. Hver bil var utstyrt med en trekkmotor og motorstyrte releer. Alle bilene hentet kraft fra fronten av toget og trekkmotorene fungerte i samklang. MU-ene fikk sin første praktiske installasjon for South Side Elevated Railroad (nå en del av Chicago L) i 1897. Med suksessen til Spragues oppfinnelse tok elektrisitet snart over som den foretrukne strømforsyningen for t-banene.

I 1895 ble en fire mil lang strekning av Baltimore Belt Line of the Baltimore and Ohio Railroad (B&O) som koblet til New York den første amerikanske hovedjernbanelinjen som ble elektrifisert. Damplokomotiver trakk opp til sørenden av den elektrifiserte linjen, og ble deretter koblet til elektrisk drevne tog og trukket gjennom tunnelene som omringet Baltimore.

New York City var en av de tidligste som forbød dampmaskiner fra togtunnelene deres. I kjølvannet av en tunnelkollisjon i Park Avenue i 1902, ble bruken av røykgenererende lokomotiver forbudt sør for Harlem-elven. New York Central Railroad begynte å bruke elektriske lokomotiver i 1904. Fra 1915 elektrifiserte Chicago, Milwaukee, St. Paul og Pacific Railroad tjenesten over Rocky Mountains og til vestkysten. På 1930-tallet hadde Pennsylvania Railroad elektrifisert hele sitt territorium øst for Harrisburg, Pennsylvania.

Med bruken av dieseldrevne tog på 1930-tallet og de følgende tiårene, avtok utvidelsen av infrastrukturen for elektriske tog. Til slutt ville imidlertid diesel og elektrisk kraft bli kombinert for å skape flere generasjoner av elektrodieseler og hybrider som brukte det beste fra begge teknologiene og som ville fortsette å bli standarden for mange jernbanelinjer.

Avansert togteknologi

På 1960- og begynnelsen av 1970-tallet var det betydelig interesse for muligheten for å bygge persontog som kunne reise mye raskere enn konvensjonelle tog. Fra 1970-tallet, interesse for en alternativ høyhastighetsteknologi sentrert om magnetisk levitasjon, eller maglev , der biler kjører på en luftpute skapt av den elektromagnetiske reaksjonen mellom en innebygd enhet og en annen innebygd i føringsveien.

Den første høyhastighetsbanen gikk mellom Tokyo og Osaka i Japan og åpnet i 1964. Siden den gang har mange flere slike systemer blitt bygget rundt om i verden, inkludert i Spania, Frankrike, Tyskland, Italia, Skandinavia, Belgia, Sør-Korea, Kina , Storbritannia og Taiwan. USA har også diskutert installasjon av en høyhastighetsbane mellom San Francisco og Los Angeles og på østkysten mellom Boston og Washington, D.C.

Elektriske motorer og fremskritt innen togtransportteknologi har siden tillatt mennesker å reise med hastigheter på opptil 320 miles per time. Enda flere fremskritt i disse maskinene er i utviklingsstadiet, inkludert Hyperloop-rørtoget, anslått til å nå hastigheter nær 700 miles per time, som fullførte sin første vellykkede prototypetestkjøring i 2017.