Järnvägsteknologins historia

Sedan deras uppfinning har järnvägar spelat en enorm roll i att vidareutveckla civilisationer runt om i världen. Från antika Grekland till dagens Amerika har järnvägar förändrat människors resor och arbete.

Den tidigaste formen av järnvägstransporter går faktiskt tillbaka till 600 f.Kr. Grekerna gjorde spår på asfalterade kalkstensvägar för användning i kombination med hjulfordon, vilket underlättade transporten av båtar över Isthmus i Korint. Men när romarna erövrade grekerna under 146 f.Kr., föll de tidiga järnvägarna i ruin och försvann i mer än 1400 år.

Det första moderna järnvägstransportsystemet återvände inte förrän på 1500-talet. Även då skulle det gå ytterligare tre hundra år innan ånglokomotivets uppfinning skulle omvandla järnvägstransport i global skala. 

De första moderna järnvägarna

Föregångarna till moderna tåg debuterade i början av 1550-talet i Tyskland med införandet av vagnar. Dessa primitiva rälsvägar bestod av träskenor över vilka hästdragna vagnar eller vagnar kunde röra sig lättare än över grusvägar. Vid 1770-talet hade träskenor ersatts med järn. Dessa vagnar utvecklades till spårvagnar som sprids över hela Europa. År 1789 designade engelsmannen William Jessup de första vagnarna med flänsade hjul som var spårade, så att hjulen bättre grepp om skenan. Denna viktiga designfunktion överfördes till senare lok.

Fram till 1800-talet byggdes järnvägar av gjutjärn. Tyvärr var gjutjärn benägna att rost och det var sprött, vilket ofta orsakade att det misslyckades under stress. 1820 uppfann John Birkinshaw ett mer hållbart material som kallas smidesjärn. Denna innovation, även om en förbättring jämfört med gjutjärn fortfarande var bristfällig, men den blev standarden tills Bessemer-processens tillkomst möjliggjorde en billigare produktion av stål i slutet av 1860-talet, vilket utlöste den snabba utvidgningen av järnvägar inte bara i Amerika utan runt världen. Så småningom ersattes Bessemer-processen med användning av öppna eldugnar, vilket ytterligare minskade kostnaden för stålproduktion och gjorde det möjligt för tåg att ansluta de flesta större städer i USA i slutet av 1800-talet..

Den industriella revolutionen och ångmotorn

Med det grundläggande arbetet för ett avancerat järnvägssystem, var allt som var kvar att göra att hitta ett sätt att transportera fler människor och mer gods under längre avstånd under en kortare tidsperiod. Svaret kom i form av en av de viktigaste uppfinningarna från den industriella revolutionen, ångmotorn, som var avgörande för utvecklingen av den moderna järnvägen och tågen.

År 1803 beslutade en man vid namn Samuel Homfray att finansiera utvecklingen av ett ångdrivet fordon för att ersätta hästdragna vagnar på spårvagnarna. Richard Trevithick byggde det fordonet, den första ångmotorns spårvägslokomotiv. Den 22 februari 1804 drog loket en last på 10 ton järn, 70 man och fem extra vagnar de nio milen mellan järnverket vid Pen-y-Darron i staden Merthyr Tydfil, Wales, till botten av Abercynnon dal. Resan tog cirka två timmar att slutföra.

1812 blev den engelska uppfinnaren George Stephenson en collierieingenjör för Stockton och Darlington Railway Line. År 1814 byggde han sin första lok för dem. Inte länge efter övertygade han ägarna om att prova en ångdriven lok. Den första ansträngningen fick namnet Förflyttning. Medan Stephenson krediteras som uppfinnaren av den första ånglokmotorn för järnvägar, citeras Trevithicks uppfinning som den första spårvägslokomotivet.

1821 blev engelsmannen Julius Griffiths den första personen som patenterade en passagerarvägslokomotiv. I september 1825, med hjälp av Stephensons lok, startade Stockton & Darlington Railroad Company den första järnvägen för att bära både gods och passagerare som reser med regelbundna scheman. Dessa nya tåg kunde dra sex lastade kolbilar och 21 personbilar med en kapacitet på 450 passagerare över nio mil på ungefär en timme.

Inte länge därefter öppnade Stephenson sitt eget byggda företag, Robert Stephenson och Company. Hans mest kända prototyp, Stephensons raket, designades och byggdes för Rainhill Trials, ett 1829-evenemang som hölls av Liverpool och Manchester Railway för att välja den bästa designen för att driva sina nya lok. De Raket, dagens mest avancerade lok, vann handfast och fortsatte att sätta standarden med vilken de flesta ångmotorer skulle byggas under de kommande 150 åren.

Det amerikanska järnvägssystemet

Överste John Stevens anses vara far till järnvägar i USA. År 1826 demonstrerade Stevens genomförbarheten av ånglok på en experimentell cirkulär bana som byggdes på hans gård i Hoboken, New Jersey - tre år innan Stephenson fulländade en praktisk ånglok i England.

Stevens beviljades den första järnvägstadgan i Nordamerika 1815 men andra började få bidrag och arbetet började på de första operativa järnvägarna strax efter. 1930 konstruerade och byggde Peter Cooper den första amerikansk-ånglokomotiv, the tom tumme, som ska köras på en järnväg med gemensam transportör.

En annan viktig tåginnovation från 1800-talet hade inte något med framdrivning eller strömförsörjning att göra. Istället handlade det om passagerarkomfort. George Pullman uppfann Pullman Sleeping Car 1857. Även om sovbilar hade använts på amerikanska järnvägar sedan 1830-talet, var Pullman-bilen designad specifikt för passagerarresor över natten och ansågs vara en markant förbättring jämfört med sina föregångare.

Nackdelarna med Steam Power

Medan ångdrivna lok hade en obestridlig inverkan på transport och ekonomisk expansion under 19^th århundradet var tekniken inte utan sina nackdelar. En av de mest problematiska var röken från bränna kol och andra bränslekällor.

Medan de skadliga biprodukterna var tålliga i öppet landskap, blev de faror som orsakades av bränsleavgas ännu mer uppenbara när järnvägar inkräktade på mer befolkade områden, vilket i sin tur krävde ett växande antal underjordiska tunnlar för att rymma tåg på väg mot staden destinationer. I en tunnelsituation kan rök bli dödlig, särskilt om ett tåg fastnade under marken. Tåg som drivs med elektricitet verkade vara ett uppenbart alternativ men tidigt elektriskt tågsteknik kunde helt enkelt inte hålla jämna steg med ånga under långa avstånd.

Elektriska lok börjar långsamt

Den första prototypen för en elektrisk lokomotiv byggdes 1837 av den skotska kemisten Robert Davidson, driven av galvaniska battericeller. Davidsons nästa lok, en större version med namnet Galvani, debuterade på Royal Scottish Society of Arts-utställningen 1841. Den vägde sju ton, hade två motordrivna motvilja mot motorer som använde fasta elektromagneter som verkade på järnstänger fästa på träcylindrar på varje axel. Medan den testades på Edinburgh och Glasgow Railway i september 1841, fick den begränsade kraften i batterierna projektet. De Galvani senare förstördes av järnvägsarbetare som betraktade den alternativa tekniken som ett potentiellt hot mot deras försörjning.

Hjärnskölden till Werner von Siemens, det första elektriska passagerartåget, bestående av en lokomotiv och tre bilar, gjorde sin jungfrun 1879 i Berlin. Tåget hade en maximal hastighet på drygt åtta mil per timme (13 km). Under fyra månader transporterade den 90 000 passagerare på en 300 meter lång cirkulär bana. Tågets 150-volt likström tillfördes via en isolerad tredje skena.

Elektriska spårvagnslinjer började bli mer populära, först i Europa och senare i USA, efter att de först gjorde sitt uppträde 1881 i Lichterfelde strax utanför Berlin, Tyskland. År 1883 körde en elektrisk spårvagn i Brighton, England och spårvagnen som startade service nära Wien, Österrike, samma år var den första i reguljär trafik som drivs av en luftledning. Fem år senare tog elektriska vagnar designade av Frank J. Sprague (en uppfinnare som en gång hade arbetat för Thomas Edison) till spåren för Richmond Union Passenger Railway. 

Övergången för ånga till elektrisk

Den första underjordiska elektriska järnvägslinjen lanserades av City och South London Railway 1890. Fem år senare kom Sprague med ett speländrande system med flera enheters dragkraft (MU) för tåg. Varje bil var utrustad med en dragmotor och motorstyrda reläer. Alla bilar drog ström från framsidan av tåget och dragmotorerna arbetade i samklang. MU: erna fick sin första praktiska installation för South Side Elevated Railroad (nu en del av Chicago L) 1897. Med framgången med Spragues uppfinning tog elektricitet snart över som valfri strömförsörjning för tunnelbanor.

1895 blev en fyra mil lång sträcka av Baltimore Belt Line i Baltimore och Ohio Railroad (B&O) som anslöt till New York den första amerikanska huvudbanan som elektrifierades. Ånglok drog upp till den sydliga änden av den elektrifierade linjen och kopplades sedan till elektriska drev och drogs genom tunnlarna som omringade Baltimore.

New York City var en av de tidigaste som förbjöd ångmotorer från deras tågtunnlar. Efter kollisionen av en tunnelkollision i Park Avenue från 1902 förbjöds användningen av rökgenererande lok söder om Harlem River. New York Central Railroad började använda elektriska lok från 1904. Början 1915 elektrifierade Chicago, Milwaukee, St. Paul och Pacific Railroad över Rocky Mountains och till västkusten. Vid 1930-talet hade Pennsylvania Railroad elektrifierat hela sitt territorium öster om Harrisburg, Pennsylvania.

Med tillkomsten av dieseldrivna tåg på 1930-talet och de följande decennierna minskade utbyggnaden av infrastruktur för elektriska drev. Så småningom skulle dock diesel och elkraft kombineras för att skapa flera generationer av elektro-dieslar och hybrider som använde det bästa av båda teknologierna och skulle fortsätta att bli standarden för många järnvägslinjer.

Avancerade tågteknologier

På 1960- och början av 1970-talet fanns det ett stort intresse för möjligheten att bygga persontåg som kunde färdas mycket snabbare än konventionella tåg. Från 1970-talet intresset för en alternativ höghastighetsteknologi centrerad på magnetisk levitation, eller maglev, där bilar åker på en luftkudde som skapas av den elektromagnetiska reaktionen mellan en ombordanordning och en annan inbäddad i sin väg.

Den första höghastighetstågen sprang mellan Tokyo och Osaka i Japan och öppnades 1964. Sedan dess har många fler sådana system byggts runt om i världen, inklusive i Spanien, Frankrike, Tyskland, Italien, Skandinavien, Belgien, Sydkorea, Kina , Storbritannien och Taiwan. USA har också diskuterat installation av en höghastighetståg mellan San Francisco och Los Angeles och på östkusten mellan Boston och Washington, D.C.

Elektriska motorer och framsteg inom teknik för tågtransport har sedan gjort det möjligt för människor att resa med hastigheter upp till 320 miles per timme. Ännu fler framsteg i dessa maskiner är i utvecklingsstadier, inklusive Hyperloop-tåget, som beräknas nå hastigheter nära 700 miles per timme, som slutförde sin första framgångsrika prototyptest 2017.