Historia kolei: od torów po pociągi Hyperloop

Od czasu swojego wynalazku koleje odegrały ogromną rolę w dalszym rozwoju cywilizacji na całym świecie. Od starożytnej Grecji po współczesną Amerykę koleje zmieniły sposób, w jaki ludzie podróżują i pracują.

Najwcześniejsza forma transportu kolejowego pochodzi z 600 r.p.n.e. Grecy brukowali bruk wapienne drogi do użytku w połączeniu z pojazdami kołowymi, ułatwiając transport łodzi przez Przesmyk Korynt Kiedy jednak Rzymianie podbili Greków w 146 r.p.n.e., wczesne koleje popadły w ruinę i zniknęły na ponad 1400 lat.

Pierwszy nowoczesny system transportu kolejowego powrócił dopiero w XVI wieku. Nawet wtedy upłynie jeszcze trzysta lat, zanim wynalazek lokomotywy parowej przekształci transport kolejowy w skali globalnej.

Prekursory nowoczesnych pociągów zadebiutowały na początku lat 50. w Niemczech wprowadzeniem wagonów. Te prymitywne drogi kolejowe składały się z drewnianych szyn, po których wozy lub wozy konne mogły poruszać się z większą łatwością niż po polnych drogach. W latach 70. XVII wieku drewniane szyny zastąpiono żelaznymi. Te wagony ewoluowały w tramwaje, które rozciągają się w całej Europie. W 1789 r. Anglik William Jessup zaprojektował pierwsze wagony z kołami z kołnierzem, które były rowkowane, umożliwiając tym samym lepszą przyczepność szyn. Ta ważna cecha konstrukcyjna została przeniesiona do późniejszych lokomotyw.

Do XIX wieku koleje były budowane z żeliwa. Niestety żeliwo było podatne na rdzę i było kruche, często powodując jego uszkodzenie pod wpływem stresu. W 1820 roku John Birkinshaw wynalazł bardziej trwały materiał o nazwie kute żelazo. Ta innowacja, mimo że ulepszenie w stosunku do żeliwa było nadal wadliwe, stała się jednak standardem aż do pojawienia się besemerowski proces ten umożliwił tańszą produkcję stali pod koniec lat 60. XIX wieku, co spowodowało szybki rozwój kolei nie tylko w Ameryce, ale na całym świecie. Ostatecznie proces Bessemera zastąpiono zastosowaniem pieców z otwartym paleniskiem, co dodatkowo obniżyło koszty produkcja stali i pozwoliła pociągom łączyć większość głównych miast w Stanach Zjednoczonych do końca 19 stulecie.

Po przygotowaniu podstaw dla zaawansowanego systemu kolei, pozostało tylko znaleźć oznacza transport większej liczby osób i większej liczby towarów na większe odległości w krótszym okresie czas. Odpowiedź przyszła w formie jednej z najbardziej znaczące wynalazki z Rewolucja przemysłowa, silnik parowy, co miało kluczowe znaczenie dla rozwoju nowoczesnej kolei i pociągów.

W 1803 roku mężczyzna o imieniu Samuel Homfray postanowił sfinansować rozwój pojazdu napędzanego parą, aby zastąpić wozy konne na tramwajach. Richard Trevithick zbudował ten pojazd, pierwszą lokomotywę tramwajową z silnikiem parowym. 22 lutego 1804 roku lokomotywa ciągnęła ładunek 10 ton żelaza, 70 ludzi i pięć dodatkowych wagonów dziewięć mil między hutą w Pen-y-Darron w miejscowości Merthyr Tydfil w Walii, na dnie Abercynnon dolina. Podróż trwała około dwóch godzin.

W 1812 r. Angielski wynalazca George Stephenson został inżynierem kopalni dla linii kolejowej Stockton i Darlington. W 1814 roku zbudował dla nich swoją pierwszą lokomotywę. Niedługo potem przekonał właścicieli do wypróbowania lokomotywy parowej. Pierwszy wysiłek nazwano Lokomocja. Chociaż Stephenson jest uważany za wynalazcę pierwszego silnika lokomotywy parowej dla kolei, wynalazek Trevithicka jest cytowany jako pierwsza lokomotywa tramwajowa.

W 1821 roku Anglik Julius Griffiths stał się pierwszą osobą, która opatentowała lokomotywę pasażerską. Do września 1825 r., Korzystając z lokomotyw Stephensona, Stockton & Darlington Railroad Company uruchomiła pierwszą linię kolejową do przewozu zarówno towarów, jak i pasażerów podróżujących regularnie. Te nowe pociągi mogłyby pociągnąć sześć załadowanych wagonów węglowych i 21 samochodów osobowych o pojemności 450 pasażerów na ponad dziewięć mil w ciągu około godziny.

Niedługo potem Stephenson otworzył własną firmę, Robert Stephenson and Company. Jego najsłynniejszy prototyp Rakieta Stephensona, został zaprojektowany i zbudowany na potrzeby Rainhill Trials, imprezy z 1829 r. zorganizowanej przez Liverpool i Manchester Railway, aby wybrać najlepszy projekt do napędzania ich nowych lokomotyw. The Rakieta, najbardziej zaawansowana lokomotywa swoich czasów, wygrała zręcznie i ustanowiła standard, według którego większość silników parowych będzie budowana przez następne 150 lat.

Pułkownik John Stevens jest uważany za ojca kolei w Stanach Zjednoczonych. W 1826 roku Stevens wykazał wykonalność lokomocji parowej na zbudowanym eksperymentalnym torze kołowym w jego posiadłości w Hoboken, New Jersey - trzy lata przed Stephensonem udoskonalił praktyczną lokomotywę parową Anglia

Stevens otrzymał pierwszą kartę kolei w Ameryce Północnej w 1815 r., Ale inni zaczęli otrzymywać dotacje, a wkrótce potem rozpoczęły się prace nad pierwszymi kolejami operacyjnymi. W 1930 r. Peter Cooper zaprojektował i zbudował pierwszą amerykańską lokomotywę parową, Tomcio Paluch, do eksploatacji na linii kolejowej wspólnego przewoźnika.

Kolejna ważna innowacja kolejowa w XIX wieku nie miała nic wspólnego z napędem lub zasilaniem. Zamiast tego chodziło o komfort pasażerów. George Pullman wynalazł samochód sypialny Pullman w 1857 roku. Chociaż samochody sypialne były używane na amerykańskich liniach kolejowych od lat trzydziestych XIX wieku, był to samochód Pullman zaprojektowany specjalnie do nocnych podróży pasażerów i został uznany za znaczącą poprawę w stosunku do niego przodkowie.

Podczas gdy lokomotywy napędzane parą miały niezaprzeczalny wpływ na transport i ekspansję gospodarczą w ciągu 19 lat^th stulecie technologia nie była pozbawiona wad. Jednym z najbardziej problematycznych był dym powstający w wyniku spalania węgla i innych źródeł paliwa.

Podczas gdy szkodliwe produkty uboczne były tolerowane na otwartej przestrzeni, nawet na wczesnym etapie, zagrożenia stwarzane przez spaliny stały się tym bardziej widoczne, że linie kolejowe wkraczały na obszary bardziej zaludnione, co z kolei wymagało rosnącej liczby podziemnych tuneli, aby pomieścić pociągi jadące do miast miejsca docelowe. W tunelu dym może stać się śmiertelny, szczególnie jeśli pociąg utknie pod ziemią. Pociągi zasilane energią elektryczną wydawały się oczywistą alternatywą, ale wczesna technologia pociągów elektrycznych po prostu nie mogła nadążyć za parą na duże odległości.

Pierwszy prototyp lokomotywy elektrycznej został zbudowany w 1837 roku przez szkockiego chemika Roberta Davidsona, zasilany ogniwami z ogniw galwanicznych. Następna lokomotywa Davidsona, większa wersja o nazwie Galvani, zadebiutował na wystawie Royal Scottish Society of Arts w 1841 r. Ważył siedem ton, miał dwa silniki reluktancyjne z napędem bezpośrednim, które wykorzystywały stałe elektromagnesy działające na żelazne pręty przymocowane do drewnianych cylindrów na każdej osi. Podczas gdy został przetestowany na kolei w Edynburgu i Glasgow we wrześniu 1841 roku, ograniczona moc jego akumulatorów zatopiła projekt. The Galvani został później zniszczony przez pracowników kolei, którzy postrzegali alternatywną technologię jako potencjalne zagrożenie dla ich źródeł utrzymania.

Pomysł Wernera von Siemensa, pierwszego elektrycznego pociągu pasażerskiego, składającego się z lokomotywy i trzech wagonów, rozpoczął swoją dziewiczą jazdę w 1879 roku w Berlinie. Prędkość maksymalna pociągu wynosiła nieco ponad osiem mil na godzinę (13 km). W ciągu czterech miesięcy przewieziono 90 000 pasażerów na okrągłym torze o długości 984 stóp (300 metrów). 150-woltowy prąd pociągu był dostarczany przez izolowaną trzecią szynę.

Linie tramwajów elektrycznych zaczęły zdobywać popularność, najpierw w Europie, a później w Stanach Zjednoczonych, po raz pierwszy w 1881 roku w Lichterfelde pod Berlinem w Niemczech. W 1883 r. W Brighton w Anglii uruchomiono tramwaj elektryczny, a tramwaj, który uruchomił usługę pod Wiedniem w Austrii, w tym samym roku był pierwszym w regularnym ruchu, który był zasilany z linii napowietrznej. Pięć lat później wózki elektryczne zaprojektowane przez Franka J. Sprague (wynalazca, który kiedyś pracował dla Thomasa Edisona) wyruszył na tory kolejki pasażerskiej Richmond Union.

Pierwsza podziemna linia kolei elektrycznej została uruchomiona przez City and South London Railway w 1890 roku. Pięć lat później Sprague opracował przełomowy dla wielu jednostek system kontroli trakcji (MU) dla pociągów. Każdy samochód był wyposażony w silnik trakcyjny i przekaźniki sterowane silnikiem. Wszystkie samochody pobierały energię z przodu pociągu, a silniki trakcyjne działały zgodnie. MU dostali swoją pierwszą praktyczną instalację dla South Side Elevated Railroad (obecnie część Chicago L) w 1897 roku. Wraz z sukcesem wynalazku Sprague elektryczność wkrótce przejęła rolę źródła zasilania dla metra.

W 1895 r. Czteromilowy odcinek linii pasa Baltimore linii kolejowej Baltimore i Ohio (B&O), który łączył się z Nowym Jorkiem, stał się pierwszą amerykańską główną linią kolejową, która została zelektryfikowana. Lokomotywy parowe zatrzymały się na południowym krańcu zelektryfikowanej linii, a następnie zostały połączone z pociągami o napędzie elektrycznym i przejechały tunelami otaczającymi Baltimore.

Nowy Jork był jednym z pierwszych, którzy zakazali używania silników parowych w tunelach kolejowych. Po zderzeniu tunelu Park Avenue w 1902 r. Lokomotywy wytwarzające dym zostały zakazane na południe od rzeki Harlem. New York Central Railroad zaczął korzystać z lokomotyw elektrycznych w 1904 roku. Począwszy od 1915 r. Zelektryfikowana usługa Chicago, Milwaukee, St. Paul i Pacific Railroad w Górach Skalistych i na Zachodnie Wybrzeże. Do lat 30. XX wieku linia kolejowa Pensylwanii zelektryfikowała całe terytorium na wschód od Harrisburga w Pensylwanii.

Wraz z pojawieniem się pociągów napędzanych silnikiem Diesla w latach 30. i następnych dziesięcioleciach rozwój infrastruktury pociągów z napędem elektrycznym spowolnił. Jednak ostatecznie energia diesla i energia elektryczna zostaną połączone, aby stworzyć kilka generacji elektro-diesli i hybrydy, które wykorzystały najlepsze z obu technologii i stały się standardem dla wielu kolei linie.

W latach sześćdziesiątych i wczesnych siedemdziesiątych istniało duże zainteresowanie budową pociągów pasażerskich, które mogłyby podróżować znacznie szybciej niż pociągi konwencjonalne. Od 1970 roku zainteresowanie alternatywną szybką technologią skupioną na lewitacji magnetycznej lub maglev, w którym samochody jeżdżą na poduszce powietrznej powstałej w wyniku reakcji elektromagnetycznej między urządzeniem pokładowym a innym osadzonym w prowadnicy.

Pierwsza szybka kolej kursowała między Tokio a Osaką w Japonii i została otwarta w 1964 r. Od tego czasu na całym świecie zbudowano wiele takich systemów, w tym w Hiszpanii, Francji, Niemczech, Włoszech, Skandynawii, Belgii, Korei Południowej, Chinach, Wielkiej Brytanii i Tajwanie. Stany Zjednoczone dyskutowały również o instalacji kolei dużych prędkości między San Francisco i Los Angeles oraz na wschodnim wybrzeżu między Bostonem a Waszyngtonem.

Silniki elektryczne i postęp w technologiach transportu kolejowego umożliwiły ludziom podróżowanie z prędkością do 320 mil na godzinę. Jeszcze więcej ulepszeń w tych maszynach znajduje się na etapie rozwoju, w tym pociągu metra Hyperloop, przewiduje się, że osiągnie prędkość zbliżoną do 700 mil na godzinę, co zakończyło pierwszy udany testowy test prototypu 2017.