Η ιστορία των σιδηροδρόμων: Από τις σιδηροδρομικές γραμμές μέχρι τα τρένα Hyperloop

Από την εφεύρεσή τους, οι σιδηρόδρομοι έχουν διαδραματίσει τεράστιο ρόλο στην περαιτέρω ανάπτυξη των πολιτισμών σε όλο τον κόσμο. Από την αρχαία Ελλάδα μέχρι τη σύγχρονη Αμερική, οι σιδηρόδρομοι έχουν αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο ταξιδεύουν και εργάζονται οι άνθρωποι.

Η παλαιότερη μορφή των σιδηροδρομικών μεταφορών χρονολογείται από το 600 π.Χ. Οι Έλληνες έκαναν αυλάκια στο πλακόστρωτο ασβεστολιθικών δρόμων για χρήση σε συνδυασμό με τροχοφόρα οχήματα, διευκολύνοντας τη μεταφορά των σκαφών στον ισθμό του Κόρινθος. Ωστόσο, όταν οι Ρωμαίοι κατέκτησαν τους Έλληνες το 146 π.Χ., οι πρώτοι σιδηρόδρομοι έπεσαν σε ερείπια και εξαφανίστηκαν για περισσότερα από 1.400 χρόνια.

Το πρώτο σύγχρονο σύστημα σιδηροδρομικών μεταφορών δεν επέστρεψε μέχρι τον 16ο αιώνα. Ακόμα και τότε, θα ήταν άλλα τριακόσια χρόνια πριν από την εφεύρεση της ατμομηχανής να μετατρέψει τις σιδηροδρομικές μεταφορές σε παγκόσμια κλίμακα.

Οι πρόδρομοι των σύγχρονων τρένων ξεκίνησαν στις αρχές της δεκαετίας του '50 στη Γερμανία με την εισαγωγή των αμαξοστοιχιών. Αυτοί οι πρωτόγονοι οδοντωτοί δρόμοι αποτελούσαν ξύλινες ράγες πάνω από τις οποίες τα βαγόνια ή τα καρότσια με τα άλογα μπορούσαν να κινούνται με μεγαλύτερη ευκολία από ό, τι στους χωματόδρομους. Μέχρι τη δεκαετία του 1770, οι ξύλινες ράγες είχαν αντικατασταθεί με σιδερένιες. Αυτά τα βαγόνια εξελίχθηκαν σε τραμ που διασκορπίστηκαν σε ολόκληρη την Ευρώπη. Το 1789, ο Άγγλος William Jessup σχεδίασε τα πρώτα φορτάμαξες με φλαντζωτούς τροχούς που ήταν αυλακωμένοι, επιτρέποντας στους τροχούς να πιάνουν καλύτερα τη σιδηροτροχιά. Αυτό το σημαντικό σχεδιαστικό χαρακτηριστικό μεταφέρθηκε σε μεταγενέστερες μηχανές.

Μέχρι τη δεκαετία του 1800, οι σιδηρόδρομοι κατασκευάστηκαν από χυτοσίδηρο. Δυστυχώς, ο χυτοσίδηρος ήταν επιρρεπής στη σκουριά και ήταν εύθραυστος, προκαλώντας συχνά αποτυχία υπό άγχος. Το 1820, ο John Birkinshaw εφευρέθηκε ένα πιο ανθεκτικό υλικό που ονομάζεται σφυρήλατο σίδερο. Αυτή η καινοτομία, αν και η βελτίωση σε σχέση με το χυτοσίδηρο εξακολουθούσε να είναι ελαττωματική, ωστόσο, έγινε το πρότυπο μέχρι την εμφάνιση του Bessemer η διαδικασία επέτρεψε τη φθηνότερη παραγωγή χάλυβα στα τέλη της δεκαετίας του 1860, πυροδοτώντας την ταχεία επέκταση των σιδηροδρόμων όχι μόνο σε ολόκληρη την Αμερική, αλλά σε όλο τον κόσμο. Τελικά, η διαδικασία Bessemer αντικαταστάθηκε από τη χρήση φούρνων ανοιχτής εστίας, γεγονός που μείωσε περαιτέρω το κόστος την παραγωγή χάλυβα και επέτρεψε τα τρένα να συνδέσουν τις περισσότερες μεγάλες πόλεις στις Ηνωμένες Πολιτείες μέχρι τα τέλη του 19ου αιώνας.

Με το έδαφος που είχε προβλεφθεί για ένα προηγμένο σύστημα σιδηροδρόμων, το μόνο που έμεινε να κάνει ήταν να βρει ένα σημαίνει μεταφορά περισσότερων ανθρώπων και περισσότερων αγαθών για μακρύτερες αποστάσεις για μικρότερη περίοδο χρόνος. Η απάντηση ήρθε με τη μορφή ενός από τα πιο σημαντικές εφευρέσεις απο Βιομηχανική επανάσταση, ο ατμομηχανή, η οποία ήταν κρίσιμη για την ανάπτυξη του σύγχρονου σιδηροδρόμου και των τρένων.

Το 1803, ένας άνθρωπος που ονομάζεται Samuel Homfray αποφάσισε να χρηματοδοτήσει την ανάπτυξη ενός ατμοκίνητου οχήματος για να αντικαταστήσει τα άμαξα με τα άλογα στα τραμ. Richard Trevithick χτίστηκε το όχημα αυτό, η πρώτη ατμομηχανή ατμομηχανή. Στις 22 Φεβρουαρίου 1804, η μηχανή έβγαλε φορτίο 10 τόνων σιδήρου, 70 ανδρών και πέντε επιπλέον φορτάμαξες των εννέα μίλια μεταξύ των σιδηρουργείων στο Pen-y-Darron στην πόλη Merthyr Tydfil της Ουαλίας, στο βάθος του Abercynnon κοιλάδα. Το ταξίδι χρειάστηκε περίπου δύο ώρες για να ολοκληρωθεί.

Το 1812, Άγγλος εφευρέτης Γιώργος Stephenson έγινε ένας μηχανικός για την σιδηροδρομική γραμμή Stockton και Darlington. Μέχρι το 1814, είχε κατασκευάσει την πρώτη ατμομηχανή για αυτούς. Λίγο αργότερα, έπεισε τους ιδιοκτήτες να δοκιμάσουν μια ατμοκίνητη ατμομηχανή. Η πρώτη προσπάθεια ονομάστηκε Μετακίνηση. Ενώ ο Stephenson πιστώνεται ως ο εφευρέτης της πρώτης ατμομηχανής ατμού για τους σιδηροδρόμους, η εφεύρεση του Trevithick αναφέρεται ως η πρώτη ατμομηχανή του τραμ.

Το 1821, ο Άγγλος Julius Griffiths έγινε το πρώτο άτομο που πατέντησε μια μηχανή επιβατών. Μέχρι το Σεπτέμβριο του 1825, χρησιμοποιώντας τις μηχανές Stephenson, η εταιρεία σιδηροδρόμων Stockton & Darlington δρομολόγησε τον πρώτο σιδηρόδρομο για να μεταφέρει τόσο αγαθά όσο και επιβάτες που ταξιδεύουν με τακτικά δρομολόγια. Αυτά τα νέα τρένα θα μπορούσαν να τραβήξουν έξι φορτωμένα αυτοκίνητα άνθρακα και 21 επιβατικά αυτοκίνητα με χωρητικότητα 450 επιβατών άνω των 9 μιλίων σε περίπου μία ώρα.

Λίγο αργότερα, ο Stephenson άνοιξε τη δική του εταιρεία που χτίστηκε, Robert Stephenson and Company. Το πιο διάσημο πρωτότυπο του, Πύραυλος του Stephenson, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για τις δοκιμές Rainhill, μια εκδήλωση του 1829 που πραγματοποιήθηκε από το Liverpool και το σιδηροδρομικό σταθμό του Μάντσεστερ για να επιλέξει τον καλύτερο σχεδιασμό για να τροφοδοτήσει τις νέες ατμομηχανές. ο Ρουκέτα, η πιο προηγμένη ατμομηχανή της ημέρας, κέρδισε με σιγουριά και συνέχισε να θέτει το πρότυπο με το οποίο θα κατασκευαστούν οι περισσότεροι ατμομηχανές για τα επόμενα 150 χρόνια.

Ο συνταγματάρχης John Stevens θεωρείται ο πατέρας των σιδηροδρόμων στις Ηνωμένες Πολιτείες. Το 1826, ο Stevens κατέδειξε την εφικτότητα της ατμομηχανής σε ένα πειραματικό κυκλικό μονοπάτι στο κτήμα του στο Hoboken, New Jersey-τρία χρόνια πριν ο Stephenson τελειοποιήσει μια πρακτική ατμομηχανή στο Αγγλία.

Ο Στίβενς έλαβε το πρώτο χάρτα σιδηροδρόμων στη Βόρεια Αμερική το 1815, αλλά άλλοι άρχισαν να λαμβάνουν επιχορηγήσεις και άρχισαν εργασίες στις πρώτες επιχειρησιακές σιδηροδρομικές γραμμές αμέσως μετά. Το 1930, Peter Cooper σχεδίασε και έχτισε την πρώτη ατμομηχανή αμερικάνικης κατασκευής, την Κοντορεβιθούλης, να λειτουργούν σε ένα κοινό σιδηρόδρομο.

Μια άλλη σημαντική καινοτομία των σιδηροδρόμων του 19ου αιώνα δεν είχε τίποτα να κάνει με την πρόωση ή την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος. Αντ 'αυτού, όλα αφορούσαν την άνεση των επιβατών. Γιώργος Pullman εφευρέθηκε το Pullman Sleeping Car το 1857. Αν και τα αυτοκίνητα ύπνου είχαν χρησιμοποιηθεί σε αμερικανικές σιδηροδρομικές γραμμές από τη δεκαετία του 1830, το αυτοκίνητο Pullman ήταν που σχεδιάστηκε ειδικά για οδικές μετακινήσεις ολονύκτιων και θεωρήθηκε σημαντική βελτίωση σε σχέση με την προκατόχους.

Ενώ οι ατμοκίνητοι ατμομηχανές είχαν αναμφισβήτητο αντίκτυπο στη μεταφορά και στην οικονομική επέκταση κατά τη διάρκεια των 19^th αιώνα, η τεχνολογία δεν ήταν χωρίς τα μειονεκτήματά της. Ένα από τα πιο προβληματικά ήταν ο καπνός που προήλθε από την καύση άνθρακα και άλλων πηγών καυσίμων.

Ενώ τα επιβλαβή υποπροϊόντα ήταν ανεκτά σε ανοιχτό τοπίο, ακόμη και νωρίς, οι κίνδυνοι που δημιουργήθηκαν από την εξάτμιση καυσίμων έγιναν ακόμη πιο εμφανείς οι σιδηροδρομικές μεταφορές επλήγησαν σε πιο πυκνοκατοικημένες περιοχές, γεγονός που με τη σειρά τους οδήγησε σε αυξανόμενο αριθμό υπόγειων σηράγγων για την υποδοχή των αμαξοστοιχιών προορισμών. Σε μια κατάσταση σήραγγας, ο καπνός θα μπορούσε να γίνει θανάσιμος, ειδικά αν ένα τρένο κολλήθηκε κάτω από το έδαφος. Τα τρένα που τροφοδοτούνται με ηλεκτρική ενέργεια φαινόταν μια προφανής εναλλακτική λύση, αλλά η πρόωρη τεχνολογία ηλεκτρικών τρένων απλά δεν μπορούσε να συμβαδίσει με τον ατμό για μεγάλες αποστάσεις.

Το πρώτο πρωτότυπο για μια ηλεκτρική ατμομηχανή χτίστηκε το 1837 από τον σκωτσέζο χημικό Robert Davidson, που τροφοδοτείται από γαλβανικά κύτταρα μπαταρίας. Η επόμενη ατμομηχανή του Davidson, μια μεγαλύτερη έκδοση που ονομάζεται Γκάλβανι, έκανε το ντεμπούτο του στην έκθεση της Royal Scottish Society of Arts το 1841. Ζύγιζε επτά τόνους, είχε δύο κινητήρες άμεσης κίνησης που χρησιμοποιούσαν σταθερούς ηλεκτρομαγνήτες που επενεργούσαν σε σιδερένιες ράβδους προσαρτημένους σε ξύλινους κυλίνδρους σε κάθε άξονα. Ενώ δοκιμάστηκε στο Σιδηροδρομικό Σταθμό του Εδιμβούργου και της Γλασκώβης το Σεπτέμβριο του 1841, η περιορισμένη ισχύς των μπαταριών του έπληξε το έργο. ο Γκάλβανι καταστράφηκε αργότερα από εργαζόμενους σιδηροδρόμων που θεωρούσαν την εναλλακτική τεχνολογία ως πιθανή απειλή για τα προς το ζην.

Το πνευματικό τέχνασμα του Werner von Siemens, του πρώτου ηλεκτρικού επιβατικού αμαξοστοιχίας, που αποτελείται από μια ατμομηχανή και τρία αυτοκίνητα, έκανε το κορίτσι του να τρέξει το 1879 στο Βερολίνο. Το τρένο είχε μέγιστη ταχύτητα μόλις οκτώ μίλια ανά ώρα (13 χλμ.). Κατά τη διάρκεια των τεσσάρων μηνών, μετέφερε 90.000 επιβάτες σε κυκλική διαδρομή 984 ποδιών (300 μέτρων). Το συνεχές ρεύμα 150 βολίων της αμαξοστοιχίας παρέχεται μέσω μονωμένου τρίτου σιδηροδρόμου.

Οι γραμμές ηλεκτρικού τραμ άρχισαν να κερδίζουν δημοτικότητα, πρώτα στην Ευρώπη και αργότερα στις Ηνωμένες Πολιτείες, μετά την πρώτη εμφάνισή της το 1881 στο Lichterfelde λίγο έξω από το Βερολίνο της Γερμανίας. Μέχρι το 1883 κυκλοφορούσε ηλεκτρικό τραμ στο Μπράιτον της Αγγλίας και το τραμ που δρομολόγησε κοντά στη Βιέννη της Αυστρίας το ίδιο έτος ήταν το πρώτο στην κανονική υπηρεσία που τροφοδοτείται από εναέρια γραμμή. Πέντε χρόνια αργότερα, τα ηλεκτρικά καροτσάκια που σχεδίασε ο Frank J. Ο Sprague (ένας εφευρέτης που είχε δουλέψει κάποτε για τον Thomas Edison) έφτασε στις πίστες για τον σιδηροδρομικό επιβατικό σιδηρόδρομο Richmond.

Η πρώτη υπόγεια ηλεκτρική σιδηροδρομική γραμμή δρομολογήθηκε από τον σιδηροδρομικό σταθμό City and South London το 1890. Πέντε χρόνια αργότερα, ο Sprague ήρθε με ένα σύστημα αλλαγής παιχνιδιών πολλαπλών μονάδων ελέγχου πρόσφυσης (MU) για αμαξοστοιχίες. Κάθε αυτοκίνητο ήταν εξοπλισμένο με κινητήρα έλξης και ρελέ με κινητήρα. Όλα τα αυτοκίνητα έδιωξαν ενέργεια από το μπροστινό μέρος της αμαξοστοιχίας και οι κινητήρες έλξης δούλεψαν από κοινού. Τα MUs πήραν την πρώτη πρακτική εγκατάσταση τους για το South Side Elevated Railroad (τώρα τμήμα του Chicago L) το 1897. Με την επιτυχία της εφεύρεσης του Sprague, η ηλεκτρική ενέργεια σύντομα ανέλαβε την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος επιλογής για υπόγειες διαβάσεις.

Το 1895, ένα τετράπλευρο τμήμα της γραμμής ζωνών του Βαλτιμόρη της Βαλτιμόρης και του Οχάιο Railroad (B & O) που συνδέεται με τη Νέα Υόρκη έγινε η πρώτη αμερικανική κύρια σιδηροδρομική γραμμή που θα ηλεκτροδοτηθεί. Οι ατμομηχανές με ατμό τράβηξαν μέχρι το νότιο άκρο της ηλεκτροφόρου γραμμής και στη συνέχεια συνδέθηκαν με ηλεκτρικά τρένα και τράβηξαν τις σήραγγες που περιβάλλουν τη Βαλτιμόρη.

Η Νέα Υόρκη ήταν από τις πρώτες για να απαγορεύσει τις ατμομηχανές από τις σήραγγες των τρένων τους. Μετά την σύγκρουση σήραγγας του 1902 στο πάρκο Avenue, η χρήση ατμομηχανών που παράγουν καπνό ήταν εκτός νόμου νότια του ποταμού Harlem. Ο κεντρικός σιδηρόδρομος της Νέας Υόρκης άρχισε να χρησιμοποιεί ηλεκτρικές μηχανές μέχρι το 1904. Ξεκινώντας το 1915, ο σιδηροδρομικός σιδηρόδρομος του Σικάγου, του Μιλγουόκι, του Αγίου Παύλου και του Ειρηνικού ηλεκτροδοτείται στα βράχια και στη δυτική ακτή. Μέχρι τη δεκαετία του 1930, ο σιδηρόδρομος της Πενσυλβανίας είχε ηλεκτριστεί ολόκληρο το έδαφος ανατολικά του Χάρρισμπεργκ της Πενσυλβανίας.

Με την εμφάνιση των αμαξοστοιχιών με κινητήρα ντίζελ τη δεκαετία του 1930 και τις επόμενες δεκαετίες, η επέκταση της υποδομής για ηλεκτρικά τρένα επιβραδύνθηκε. Τελικά όμως, το ντίζελ και η ηλεκτρική ενέργεια θα συνδυάζονται για να δημιουργήσουν αρκετές γενιές ηλεκτρο-πετρελαιοκινητήρων και τα υβρίδια που χρησιμοποίησαν τις καλύτερες από τις δύο τεχνολογίες και θα συνέχιζαν να αποτελούν το πρότυπο για πολλούς σιδηροδρόμους γραμμές.

Στη δεκαετία του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 1970, υπήρξε έντονο ενδιαφέρον για τη δυνατότητα κατασκευής επιβατικών συρμών που θα μπορούσαν να ταξιδεύουν πολύ πιο γρήγορα από τα συμβατικά τρένα. Από τη δεκαετία του 1970, το ενδιαφέρον για μια εναλλακτική τεχνολογία υψηλής ταχύτητας επικεντρώθηκε στην μαγνητική διεύρυνση, ή maglev, στην οποία τα αυτοκίνητα βγαίνουν σε ένα μαξιλάρι αέρα που δημιουργείται από την ηλεκτρομαγνητική αντίδραση μεταξύ μιας ενσωματωμένης συσκευής και μιας άλλης ενσωματωμένης στον οδηγό της.

Ο πρώτος σιδηρόδρομος υψηλής ταχύτητας έτρεξε μεταξύ του Τόκιο και της Οσάκα στην Ιαπωνία και άνοιξε το 1964. Από τότε, πολλά άλλα συστήματα έχουν κατασκευαστεί σε όλο τον κόσμο, όπως στην Ισπανία, τη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ιταλία, τη Σκανδιναβία, το Βέλγιο, τη Νότια Κορέα, την Κίνα, το Ηνωμένο Βασίλειο και την Ταϊβάν. Οι Ηνωμένες Πολιτείες συζήτησαν επίσης την εγκατάσταση σιδηροδρόμου υψηλής ταχύτητας μεταξύ Σαν Φρανσίσκο και Λος Άντζελες και στην ανατολική ακτή μεταξύ Βοστώνης και Ουάσιγκτον, D.C.

Οι ηλεκτροκινητήρες και οι εξελίξεις στις τεχνολογίες των σιδηροδρομικών μεταφορών επέτρεψαν στον άνθρωπο να ταξιδέψει σε ταχύτητες μέχρι 320 μίλια την ώρα. Ακόμη περισσότερες εξελίξεις σε αυτές τις μηχανές βρίσκονται στα αναπτυξιακά στάδια, συμπεριλαμβανομένου του αμαξώματος Hyperloop, που σχεδίαζε να φτάσει ταχύτητες κοντά στα 700 μίλια την ώρα, η οποία ολοκλήρωσε την πρώτη επιτυχημένη δοκιμή σε πρωτότυπο 2017.