Rautateiden historia: raiteista Hyperloop-juniin

Rautatiet ovat keksintönsä jälkeen olleet valtava rooli sivilisaatioiden kehittämisessä ympäri maailmaa. Muinaisesta Kreikasta nykyajan Amerikkaan rautatiet ovat muuttaneet ihmisten tapaa matkustaa ja työskennellä.

Varhaisin rautatieliikenteen muoto juontaa juurensa 600 B.C. Kreikkalaiset tekivät uria kivetyllä tavalla pyöräajoneuvojen kanssa käytettävät kalkkikivi tiet, helpottaen veneiden kuljetusta Korintin. Kun roomalaiset valloittivat kreikkalaiset vuonna 146 BC, varhaiset rautatiet kaatuivat pilaan ja katosivat yli 1 400 vuodeksi.

Ensimmäinen moderni rautatieliikennejärjestelmä palasi vasta 1600-luvulla. Jo silloin olisi vielä kolmesataa vuotta ennen kuin höyryveturin keksintö muuttaisi rautatieliikennettä maailmanlaajuisesti.

Nykyaikaisten junien edeltäjät aloitti debyytin 1550-luvun alkupuolella Saksassa ottamalla käyttöön vaunuradat. Nämä alkeelliset kiskotiet koostuivat puisista kiskoista, joiden yli hevosvaunut tai -kärryt pystyivät liikkumaan helpommin kuin hiekkatiet. Vuoteen 1770 mennessä puiset kiskot oli korvattu rautateillä. Nämä vaunut kulkivat raitiovaunuteiksi, jotka levisivät ympäri Eurooppaa. Englantilainen William Jessup suunnitteli vuonna 1789 ensimmäiset vaunut, joissa oli uritettu laipparenkaat, jolloin pyörät tarttuivat paremmin kiskoon. Tämä tärkeä suunnitteluominaisuus siirrettiin myöhempiin veturiin.

1800-luvulle asti rautatiet rakennettiin valurautaa. Valitettavasti valurauta oli alttiina ruosteelle ja se oli hauras, aiheuttaen usein sen epäonnistumisen stressin alla. Vuonna 1820 John Birkinshaw keksi kestävämmän materiaalin nimeltä takorauta. Tästä innovaatiosta, vaikka parannus valurautaan nähden oli vielä puutteellista, siitä tuli kuitenkin vakiona standardin tuloon asti Bessemer Prosessi mahdollisti teräksen halvemman tuotannon 1860-luvun lopulla, mikä kiihdytti rautateiden nopeaa laajentumista paitsi Amerikan, myös ympäri maailmaa. Lopulta Bessemer-prosessi korvattiin avoimien uunien käytöllä, mikä vähensi entisestään terästuotanto ja sallinut junien yhdistää useimmat Yhdysvaltojen suuret kaupungit 19. vuosisadan loppuun mennessä luvulla.

Kun edistyneelle rautatiejärjestelmälle valmistettiin pohjatyöt, jäljelle jäi vain löytää tarkoittaa kuljettaa enemmän ihmisiä ja enemmän tavaroita pidemmille matkoille lyhyemmän ajanjakson aikana aika. Vastaus tuli muodossa yksi parhaimmista merkittäviä keksintöjä n Teollinen vallankumous, höyrykone, joka oli kriittinen nykyaikaisen rautatien ja junien kehittämiselle.

Vuonna 1803 mies nimeltä Samuel Homfray päätti rahoittaa höyrykäyttöisen ajoneuvon kehittämistä korvaamaan raitioteiden hevoskärryt. Richard Trevithick rakensi tuon ajoneuvon, ensimmäisen höyrykonemoottorirataveturin. 22. helmikuuta 1804 veturi veti kuorma 10 tonnia rautaa, 70 miestä ja viisi ylimääräistä vaunua yhdeksän mailia Pen-y-Darronin ruukin välillä Merthyr Tydfil kaupungissa, Wales, Abercynnonin pohjaan laaksossa. Matka kesti noin kaksi tuntia.

Vuonna 1812, englantilainen keksijä George Stephenson tuli Stocktonin ja Darlingtonin rautatieyhtiön insinööriksi. Vuoteen 1814 mennessä hän oli rakentanut heille ensimmäisen veturin. Pian sen jälkeen hän vakuutti omistajat kokeilemaan höyrykäyttöistä veturia. Ensimmäinen yritys sai nimensä liikkumiskyky. Samalla kun Stephensonia pidetään rautateiden ensimmäisen höyryveturin moottorin keksijänä, Trevithickin keksintöä mainitaan ensimmäisenä raitiotieveturina.

Vuonna 1821 englantilaisesta Julius Griffithsista tuli ensimmäinen henkilö, joka patentti matkustajavedot. Syyskuuhun 1825 mennessä Stockton & Darlington Railroad Company avasi Stephensonin veturit ensimmäisen rautatieyhtiön kuljettamaan sekä tavaroita että matkustajia säännöllisillä aikatauluilla. Nämä uudet junat voisivat vetää kuudessa kuormitetulla hiiliautolla ja 21 henkilöautolla, joiden kapasiteetti on 450 matkustajaa yli yhdeksän mailin päässä noin tunnissa.

Pian sen jälkeen Stephenson avasi oman rakennetun yrityksen, Robert Stephenson and Company. Hänen tunnetuin prototyyppinsä, Stephensonin raketti, suunniteltiin ja rakennettiin Liverpoolin ja Manchesterin rautatieaseman 1829 tapahtumaa varten järjestetylle Rainhill Trials -tapahtumalle valitsemaan paras malli uusien veturiensa käyttämiseksi. Raketti, päivänsaan edistynein veturi, voitti helposti ja jatkoi asettaakseen standardin, jonka mukaan suurin osa höyrykoneista rakennettaisiin seuraavan 150 vuoden ajaksi.

Eversti John Stevens pidetään rautateiden isänä Yhdysvalloissa. Vuonna 1826 Stevens osoitti höyryvedoksen toteutettavuuden rakennetulla kokeellisella pyöreällä radalla hänen tilalleen Hobokenissa, New Jerseyssä - kolme vuotta ennen kuin Stephenson täydensi käytännöllisen höyryveturin Englanti.

Stevens sai ensimmäisen rautateitä koskevan peruskirjan Pohjois-Amerikassa vuonna 1815, mutta muut alkoivat saada apurahoja ja työ aloitettiin ensimmäisillä operatiivisilla rautateillä pian sen jälkeen. Vuonna 1930 Peter Cooper suunnitteli ja rakensi ensimmäisen amerikkalaisten rakentaman höyryveturin Tom Thumb, käytettäväksi tavallisella raiteilla.

Toisella merkittävällä 1800-luvun junainnovaatiolla ei ollut mitään tekemistä käyttövoiman tai virtalähteen kanssa. Sen sijaan kyse oli matkustajien mukavuudesta. George Pullman keksi Pullman-nukkuvan auton vuonna 1857. Vaikka nukkuvat autot olivat olleet käytössä Yhdysvaltojen rautateillä 1830-luvulta lähtien, Pullman-auto oli suunniteltu erityisesti yön yli matkustajille ja sitä pidettiin merkittävänä parannuksena verrattuna siihen edeltäjänsä.

Höyryvetureilla oli kiistaton vaikutus kuljetuksiin ja taloudelliseen laajentumiseen vuoden 19 aikana^th luvulla, tekniikka ei ollut ilman sen haittoja. Yksi ongelmallisimmista oli savu, joka johtui kivihiilen ja muiden polttoaineiden polttamisesta.

Vaikka haitalliset sivutuotteet olivat siedettäviä avoimella maaseudulla, jo varhain, polttoaineen pakokaasujen aiheuttamat vaarat tulivat entistä ilmeisemmiksi, kun rautateitä, jotka ovat tunkeutuneet asutuimpiin alueisiin, mikä puolestaan ​​edellytti kasvavaa määrää maanalaisia ​​tunneleita kaupunkien suuntaan suuntautuvien junien sijoittamiseksi kohteet. Tunnelitilanteessa savu voi muuttua tappavaksi, etenkin jos juna jumissa maan alla. Sähkökäyttöiset junat näyttivät itsestään selvältä vaihtoehdolta, mutta varhainen sähköjunateknologia ei yksinkertaisesti kyennyt pitämään höyryä pitkiä matkoja.

Ensimmäisen sähköveturin prototyypin rakensi skotlantilainen kemisti Robert Davidson vuonna 1837 galvaanisten akkukennojen voimanlähteenä. Davidsonin seuraava veturi, suurempi versio nimeltään Galvani, debytoi Skotlannin kuninkaallisen yhdistyksen taidenäyttelyssä vuonna 1841. Se painoi seitsemää tonnia, siinä oli kaksi suoravetoista reaktanssimoottoria, jotka käyttivät kiinteitä sähkömagneetteja, jotka vaikuttivat raudan tankoihin, jotka kiinnitettiin kummankin akselin puisylintereihin. Vaikka sitä testattiin Edinburghin ja Glasgow-rautateillä syyskuussa 1841, sen paristojen rajoitettu teho käytti projektia. Galvani myöhemmin tuhosivat rautatieliikenteen työntekijät, jotka pitivät vaihtoehtoista tekniikkaa potentiaalisena uhkana toimeentuloonsa.

Werner von Siemensin, ensimmäisen veturista ja kolmesta autosta koostuvan matkustajajunan, aivorukko sai neitovuoronsa vuonna 1879 Berliinissä. Junan suurin nopeus oli hiukan yli kahdeksan mailia tunnissa (13 km). Neljän kuukauden aikana se kuljetti 90 000 matkustajaa 984 jalan (300 metriä) pyöreällä radalla. Junan 150 voltin tasavirta syötettiin eristetyn kolmannen kiskon kautta.

Sähköiset raitiovaunulinjat alkoivat kasvattaa suosiotaan ensin Euroopassa ja myöhemmin Yhdysvalloissa sen jälkeen, kun ensimmäinen ilmestyi vuonna 1881 Lichterfeldessä aivan Berliinin ulkopuolelle, Saksaan. Vuoteen 1883 mennessä sähköjunarata kulki Brightonissa, Englannissa, ja raitiovaunu, joka aloitti liikenteen Wienin lähellä, Itävalta, samana vuonna oli ensimmäinen säännöllisessä liikenteessä käytettävä ilmajohto. Viisi vuotta myöhemmin Frank J.: n suunnittelemat sähkökärryt Sprague (keksijä, joka oli aiemmin työskennellyt Thomas Edisonin palveluksessa) siirtyi Richmond Unionin matkustajaradan raiteille.

Ensimmäisen maanalaisen sähköisen rautatieyhteyden avasi City ja South London Railway vuonna 1890. Viisi vuotta myöhemmin Sprague keksi pelinmuuttavan monen yksikön vetovoiman hallintajärjestelmän (MU) junille. Jokainen auto oli varustettu vetoautolla ja moottoriohjattuilla releillä. Kaikki autot vetivät voimaa junan edestä ja vetovoiman moottorit toimivat yhdessä. MU: t saivat ensimmäisen käytännön asennuksen South Side Elevated Railroad (nykyinen osa Chicago L: tä) vuonna 1897. Sprague-keksinnön menestyksen myötä sähkö siirtyi pian valituksi energianlähteeksi metroille.

Vuonna 1895 New Yorkiin yhdistyneestä Baltimore-linja-alueesta ja Ohio Railroad (B&O) -yhteyksestä, joka oli neljän mailin päässä, tuli ensimmäinen amerikkalainen sähkörautatie. Höyryveturit vedettiin ylöspäin sähköistetyn linjan eteläpäähän ja kytkettiin sitten sähkökäyttöisiin juniin ja vedettiin Baltimorea ympäröivien tunnelien läpi.

New York City oli yksi varhaisimmista kieltää höyrykoneita niiden juna-tunneleista. Vuoden 1902 Park Avenue -tunnelin törmäyksen seurauksena savua tuottavien veturien käyttö kiellettiin Harlem-joen eteläpuolella. New Yorkin keskusrautatie aloitti sähköveturien käytön vuoteen 1904 mennessä. Vuodesta 1915 lähtien Chicagon, Milwaukee, St. Paulin ja Tyynenmeren rautatieliikenteen sähköistetty palvelu Kalliovuorien yli ja länsirannikolle. 1930-luvulle mennessä Pennsylvania Railroad oli sähköistänyt koko alueensa itään Harrisburgista, Pennsylvaniasta.

Dieselmoottorikäyttöisten junien tullessa 1930-luvulle ja sitä seuraaville vuosikymmenille sähkökäyttöisten junien infrastruktuurin laajeneminen hidastui. Lopulta kuitenkin diesel- ja sähkövoima yhdistetään useiden sukupolvien sähködieselien luomiseksi ja hybridejä, joissa käytettiin molempien tekniikoiden parasta ja josta tulisi edelleen standardi monille rautateille linjat.

1960- ja 1970-luvun alkupuolella kiinnostettiin huomattavasti mahdollisuudesta rakentaa matkustajajunia, jotka voisivat matkustaa paljon nopeammin kuin perinteiset junat. 1970-luvulta lähtien kiinnostus vaihtoehtoiseen nopeaan tekniikkaan, joka keskittyy magneettiseen levitaatioon, tai magneettijunalinjaan, jossa autot ajavat ilmatyynyllä, joka syntyy sähkömagneettisesta reaktiosta ajoneuvon sisäisen laitteen ja sen ohjausväylään upotetun toisen välillä.

Ensimmäinen suurten nopeuksien rautatie kulki Tokion ja Osakan välillä Japanissa ja avattiin vuonna 1964. Sittemmin monia muita järjestelmiä on rakennettu ympäri maailmaa, mukaan lukien Espanja, Ranska, Saksa, Italia, Skandinavia, Belgia, Etelä-Korea, Kiina, Iso-Britannia ja Taiwan. Yhdysvallat on myös keskustellut suurnopeusjunaradan asentamisesta San Franciscon ja Los Angelesin välille ja itärannikolle Bostonin ja Washingtonin välille, D.C.

Sähkömoottorit ja edistykselliset junakuljetustekniikat ovat sittemmin antaneet ihmisille mahdollisuuden matkustaa jopa 320 mailin tunnissa nopeudella. Vielä enemmän edistystä näissä koneissa on kehitysvaiheissa, mukaan lukien Hyperloop-putkijuna, ennustetaan saavuttavan nopeuden lähellä 700 mailia tunnissa, joka valmistui ensimmäisen onnistuneen prototyyppikokeensa vuonna 2006 2017.