tram e trasporto pubblico a Roma

Rotabili innovativi nel secolo XIX

Alta velocità e monorotaie

Zipernowsky, 1891
Adams, 1893
Behr, 1897

Negli ultimi decenni del secolo XIX i progressi della scienza spinsero innumerevoli inventori a proporre sistemi che oggi si direbbero innovativi: elettricità e magnetismo sembravano i mezzi con i quali si poteva ottenere tutto, la "dinamo" appariva la macchina per eccellenza con la quale i treni, al momento trainati da locomotive a vapore a qualche decina di chilometri all'ora al massimo, avrebbero raggiunto velocità impensabili... Due furono le direzioni verso le quali si orientò la fantasia inventiva del momento: il raggiungimento di velocità elevate utilizzando infrastrutture più o meno simili all'usuale binario e la ricerca di nuove infrastrutture utilizzanti il concetto di monorotaia, una unica rotaia che avrebbe dovuto sostituire il binario. Anche se all'atto pratico nè l'una nè l'altra direzione raggiunse lo scopo prefissato, vale la pena di esaminare qualche realizzazione, se non altro per curiosità.

Alta velocità

Crosby e Weems, 1889

Sembra che il primo esperimento di trazione elettrica a grande velocità sia stato quello della Electro-Automatic Transit Co. di Baltimore, proprietaria dei brevetti di D.G. Weems, un inventore dilettante noto per i suoi numerosi brevetti in applicazioni elettriche. L'esperimento fu condotto con un mezzo di trazione estremamente semplice, una specie di locomotore a tre assi con ruote da 710 mm di diametro e cassa lunga 4800 mm. larga 760 mm e alta 610 mm sospesa sugli assali senza gioco laterale; ogni asse era dotato di un motore Sprague da 20 CV a 1000 g/m con eccitazione in parallelo alimentato a 500 V, che avrebbe dovuto conferire al rotabile l'incredibile velocità di 400 km/h (qui i conti non tornano: con i dati indicati di ruote e motori, la velocità massima sarebbe stata di 133 km/h e per quanto potessero ridurre l'eccitazione per arrivare a 400 ce ne voleva). Le prove dettero esito fallimentare, soprattutto per il continuo slittamento delle ruote motrici conseguente al semplicistico montaggio su tre assi. Per risolvere il problema fu chiamato un tecnico della Sprague, O.T. Crosby, che per prima cosa soppresse l'assale centrale eliminando la principale causa dello slittamento, modificò l'eccitazione dei due motori passandola in serie e apportò al rotabile qualche altra modifica, col che lo stesso assunse l'aspetto dato dalle immagini sotto riportate.

Le caratteristiche del rotabile divennero quindi le seguenti: lunghezza 3960 mm, larghezza 620 mm, altezza 760 mm, con due appendici piramidali lunghe 1220 mm applicate alle estremità della cassa che avrebbero dovuto ridurre la resistenza dell'aria al moto del mezzo, diametro ruote 640 mm, scartamento 700 mm, peso 2500 kg, due motori in serie da 20 CV a 3000 g/m con indotto direttamente montato sugli assali che avrebbero dovuto permettere di raggiungere i 400 km/h (qui si sarebbe arrivati a 361 km/h).

Una prova in scala ridotta del sistema fu effettuata a Laurel nel Maryland nel 1889, con un veicolo destinato al trasporto di piccoli colli tra due località vicine, senza possibilità di trasportare persone. Fu costruito un circuito chiuso lungo 3 km con rotaie Vignoles da 8 kg/m poste su traverse in legno, con sopraelevazione della rotaia esterna di 100 mm; una rotaia superiore, isolata, sostenuta in posizione invertita da telai in legno lungo tutta la lunghezza della linea serviva da linea di contatto sulla quale erano premute due slitte in rame portate dal rotabile. L'alimentazione era in corrente continua a 500 V massimi, fornita da una dinamo Edison da 70 CV azionata da una motrice a vapore Ball da 90 CV posta all'interno della linea; la tensione era variabile alla sorgente per regolare la velocità del rotabile (in perfetto stile modellistico precedente l'era digitale).

Per l'esecuzione delle prove, nel circuito di alimentazione furono inseriti una resistenza fissa da 12 ohm e un rudimentale reostato a liquido costituito da un barile contenente acqua salata, sul fondo del quale una piastra di ferro costituiva un elettrodo, mentre un filo che poteva essere immerso più o meno nell'acqua costituiva l'altro elettrodo; con questo avveniristico apparato la corrente nel locomotore poteva essere variata tra 0 e 150 A. Avviato l'impianto, degli osservatori posti in cinque o sei punti della linea prendevano nota dei tempi di passaggio del rotabile e, in due punti opportunamente stabiliti, della tensione e della corrente. Si constatò che il rotabile si avviava con una corrente da 20 a 40 A, mentre il regime si raggiungeva dopo 700 od 800 metri con una corrente di 90 A, ossia 45 A per motore, che non poteva essere aumentata per non danneggiare i motori. A velocità comprese tra 120 e 160 km/h la tensione di alimentazione raggiungeva 450 V col reostato a liquido completamente escluso. La marcia del rotabile non venne mai interrotta nè limitata, se non per interventi sul binario e in corrispondenza di tre svii verificatisi a velocità risp. di 70, 130 e 190 km/h; si notò che gli svii erano preceduti da forti fluttuazioni della corrente assorbita, dovuti certamente a moti anomali del locomotore. La frequenza e l'intensità di queste fluttuazioni aumentavano costantemente durante un periodo di marcia e di conseguenza la stessa doveva essere interrotta ogni 22 minuti per intervenire sul binario; un ultimo svio portò alla distruzione di 300 metri di binario e alla fine dell'esperimento, che pur non raggiungendo gli obbiettivi dichiarati dagli inventori, dette tuttavia un risultato di tutto rispetto, con una velocità massima raggiunta di 184 km/h.

Il Crosby eseguì poi alcune esperienze miranti a valutare la resistenza dell'aria per varie forme del frontale del rotabile, delle quali riportiamo i risultati, naturalmente molto approssimativi anche a detta dell'inventore.

Sembra il Crosby avesse previsto anche un automatismo per graduare la velocità sia in avviamento che prima di un arresto, insieme ad un sistema di telecomando per l'inversione di marcia del rotabile; di tutto ciò si trova solo una serie di disegni poco comprensibili, dei quali riportiamo qui di seguito quello relativo alla parte elettrica del rotabile: oltre alla presa della corrente di trazione, un secondo trolley riceve i segnali da un secondo conduttore aereo e tramite un dispositivo elettromagnetico dovrebbe invertire le connessioni dei motori per l'inversione di marcia.; nella parte destra della figura è lo schema di un freno elettromagnetico ideato dall'inventore.

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Incoraggiato dai risultati ottenuti, il Crosby propose alla Electro-Automatic Transit Co. la ripetizione delle esperienze su una linea ferroviaria normale lunga 6 km e rotabili in grado di trasportare delle persone alla velocità di 240 km/h.

Da calcoli eseguiti e col confronto con i dati risultati dalle prove precedenti, il Crosby valutò che occorrevano circa 10 CV per tonnellata rimorchiata e 65 CV per metro quadrato di superficie frontale; un locomotore da 600 CV del peso di 18 tonn. avrebbe potuto rimorchiare tre carrozze metalliche pesanti 5 tonn. a vuoto, il che avrebbe fornito i dati seguenti di potenza richiesta al locomotore per varie composizioni dei treni.

Il locomotore sarebbe stato a due assi con interasse 2700 mm e motori con indotto direttamente calettato sugli assi; i due motori sarebbero stati collegati in serie per marcia sotto 3000 V e in parallelo per 1500 V e sarebbero stati dotati di raffreddamento forzato ad aria; gli induttori dei due motori, in serie tra loro, sarebbero stati collegati in parallelo agli indotti.

L'avviamento si sarebbe ottenuto con corrente da 300 a 400 A, arrivando con 40 A a 50 km/h. Per arrestare il treno da 40 tonn. a 240 km/h, il Crosby prevedeva un complicato apparato frenante, comprendente un freno a ganasce sulle ruote di tutti i rotabili, azionato da elettromagneti che, con una pressione di 2500 kg, avrebbe dato luogo ad una resistenza ai cerchi di 30.000 kg con un coefficiente di attrito pari a 0,1 sulle 12 ruote di un treno composto di locomotore e due carrozze; a questo freno si sarebbe aggiunto un freno reostatico che, da solo, avrebbe potuto portare il treno all'arresto in circa 2300 metri o 100 sec. a 240 km/h. Successivamente il Crosby modificò il locomotore, riducendo l'interasse a 2100 mm e aggiungendo un asse anteriore orientabile, sia come elemento di guida che per scaricare un certo peso dagli assi motori. Il progetto del Crosby non ebbe seguito, sembra per gli eccessivi costi prevedibili.

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Successivamente il Weems propose due versioni maggiorate del rotabile del Crosby, sotto forma di treni bloccati: uno (a) a tre casse, ognuna a due assi, delle quali la prima motrice e le altre rimorchiate, con presa di corrente da conduttore a livello del suolo e l'altra (b) con disposizione delle casse non identificabile, nella quale si torna però alla presa di corrente da filo aereo; in questa seconda versione la trazione è data da due coppie di ruote apparentemente ad assi rigidi, dotate ognuna di due motori: uno (1) per l'avviamento del treno e l'altro (2) per la marcia a regime nella quale il primo è escluso a mezzo dell'innesto z. Il motivo di questa disposizione sarà da ricercarsi, al solito, nelle poche ma confuse idee che molti inventori dell'epoca avevano in campo elettrotecnico. E' anche interessante notare che nella versione a le parti piramidali alle estremità del treno erano incernierate in modo da potersi disporre con gli assi paralleli al binario sulle salite; nella versione b sembra che alla piramide anteriore sia aggiunto un pezzo inferiore per completarne il profilo aerodinamico.

Crosby, Oscar Terry (1861-1947), elettrotecnico, particolarmente interessato ai problemi di trazione elettrica. Presidente successivamente della Potomac Electric Power Co., della Washington Traction and Electric Co., della Trenton (N.J.) Street Railway Co. e della Wilmington-Philadelphia Traction Co.. Autore del libro The Electric Railway in Theory and Practice del 1892. Noto anche per i suoi studi sulle antiche lingue iraniane e per l'avventurosa vita.
Weems, David Gustavus (1857-1930), dentista di professione, appassionato di applicazioni elettriche; noto per i suoi numerosi brevetti in questo campo.

Zipernowsky, 1891

Una linea ad alta velocità a trazione elettrica per il collegamento tra Vienna e Budapest fu studiata nel 1890-91 da Károly Zipernowsky, direttore della ditta Ganz di Budapest, e presentata al Congresso di Francoforte nel 1891. La linea, lunga 240 km, sarebbe stata servita da automotrici leggere senza rimorchiate, viaggianti a 240-250 km/h e ad intervalli da 10 a 60 minuti secondo le ore della giornata; l'alimentazione sarebbe stata fornita da due centrali generatrici di estremità e trasmessa a 10 kV a numerose sottostazioni che avrebbero alimentato i corrispondenti tronchi di linea a 1000 V in corrente alternata su due rotaie di contatto poste all'interno delle rotaie di corsa.

Nelle officine Ganz fu costruito un modello delle automotrici, per 40 posti e servizi accessori; la cassa, di profilatura aerodinamica alle estremità, presenta l'eccezionale lunghezza di 45 metri, con 2150 mm di larghezza e 2200 di altezza. Poggia su due carrelli a due assi di 5000 mm di passo e 30 metri di interperno attraverso due serie di 8 molle a spirale per carrello; la rotazione dei carrelli è estremamente limitata, tanto che in una curva del raggio minimo ammesso di 1000 metri, lo scostamento dell'estremità della cassa dall'asse del binario non è che di 16 mm.

Ogni assale porta due ruote a doppio disco, ossia ad una fascia di rotolamento compresa tra due bordini, da 2500 mm di diametro e porta il rotore di un motore da 200 CV, lo statore del quale è montato rigidamente sul telaio.

Una seconda coppia di ruote a doppio bordino, anch'esse di diametro notevole, è montata tra i due assali e impegna la coppia di rotaie che, poste all'interno di quelle di corsa, permettono la captazione della corrente di trazione; sulle due ruote, che devono essere naturalmente isolate tra loro e dall'albero, strisciano delle spazzole di presa in rame.

La vettura è dotata dell'usuale freno Westinghouse e di un freno elettrico; ha un unico respingente alle estremità peraltro con camera ad aria e un unico potente faro capace di proiettare luce fino a 2 km di distanza.

Singolare come i rotabili è la linea e non potrebbe essere diversamente: ha raggio di curva minimo 3000 metri e 10 per mille di massima pendenza, è a doppio binario priva di scambi con interbinario di 10 metri per ridurre l'onda di pressione all'incrocio di due treni; le rotaie sono Vignoles alte 180 mm, da 50 kg/m, fissate su traverse in acciaio fuso annegate in cemento armato. La segnalazione sarebbe data da un sistema di blocco automatico che suddivide la linea in sezioni di 2 km al massimo.

La singolare ruota a doppio bordino impedisce naturalmente l'impiego degli usuali scambi e incroci e non è noto come avrà risolto, l'inventore, il problema, ed esempio, del passaggio dall'uno all'altro binario nelle stazioni terminali e dei raccordi per il deposito ecc.; probabilmente si intendeva esercitare la linea con treni fissi sui due binari. Altra incognita è la costruzione dei motori che, con il rotore fisso all'assale e lo statore sul telaio, avranno dovuto avere un traferro notevole per permettere le normali oscillazioni dovute al molleggio.

Zipernowsky, Károly (Vienna 1853-Budapest 1942) è ritenuto, insieme ai suoi colleghi Déri e Bláthy, ingegneri della ditta Ganz di Budapest, l'inventore del trasformatore industriale; Zipernowski divenne in seguito direttore tecnico della Ganz.

Adams, 1893

Nel 1893 un certo dott. Adams propose una linea ad alta velocità tra Chicago e St. Louis, lunga 406 km, con diramazioni per Springfield, Decatur, Clinton e Bloomington, percorsa da treni elettrici a 180 (da altra fonte 160) km/h; sarebbe stata costruita a quattro binari, due interni per i treni veloci e due esterni per quelli ordinari. Avrebbe utilizzato vetture automotrici a carrelli con ruote di diverso diametro, da 1800 mm le motrici e da 800 le portanti, con il peso della cassa gravante per la maggio parte sulle prime (un precursore dei carrelli maximum traction). Le ruote motrici sarebbero state azionate da un motore direttamente calettato sull'asse da 200 CV alimentato in corrente alternata; la ridotta altezza della cassa, 2700 mm, avrebbe mantenuto basso il baricentro del rotabile, pesante solo 10 tonn, nonostante le dimensioni. Come sui rotabili di Crosby, la parte anteriore della cassa sarebbe stata sagomata a triangolo per ridurre la resistenza dell'aria. La linea di contatto, sulla quale manca qualsiasi indicazione, sarebbe stata suddivisa in 25 sezioni alimentate a 3000 V a mezzo di trasformatori inseriti su una rete primaria trifase a 25 kV. Il progetto non ebbe alcun seguito.

Adams, Wellington (1856-1898), inizialmente medico, si dedicò poco alla professione e molto al perfezionamento della trazione elettrica urbana; fu detentore di vari brevetti, ma le sue invenzioni non ebbero mai pratica utilizzazione.

Monorotaie

A prima vista, una monorotaia sembrerebbe la via meno adatta per un mezzo ad alta velocità; a quanto pare, però, gli inventori del XIX secolo la pensavano diversamente, vista la quantità di tentativi di realizzare monorotaie che dire ad alta velocità sarebbe poco. Qui ne vediamo due esempi.

Behr, 1897

Nel 1888 iniziò l'esercizio di una ferrovia monorotaia con trazione a vapore nell'Irlanda del nord, la Listowel & Ballybunion Railway, su progetto del francese Charles François Lartigue (1834-1907); primo direttore di esercizio della linea fu Fritz Bernhard Behr. Caratteristico della linea era il materiale rotabile, motore e rimorchiato, costruito con una struttura a forma di sella in modo da essere sostenuto dalla rotaia mantenendo basso il baricentro. Dal punto di vista tecnico la linea fu un successo, ma per lo scarso traffico andò in fallimento nel 1897, anche se restò in esercizio fino al 1924.

Fritz Bernhard Behr (Berlino 1842-Londra 1927), tedesco di nascita, studiò a Parigi e successivamente in Inghilterra, specializzandosi in costruzioni ferroviarie, sotto la guida di John Fowler e Wentworth Shields; nel 1876 fu naturalizzato inglese e, a partire dal 1885, per più di venti anni si dedicò esclusivamente allo studio dei sistemi monorotaia, nei quali credeva fermamente quali ferrovie del futuro.

Treno Lartigue della Listowel & Ballybunion Railway con la caratteristica forma a sella di locomotiva e carrozze.

L'invenzione del Lartigue fu poi utilizzata dal Behr in un più ambizioso progetto di ferrovia monorotaia ad alta velocità e trazione elettrica, che avrebbe viaggiato fino a 240 km/h; il Behr era dell'opinione allora corrente che l'ordinario binario ferroviario non fosse adatto alle velocità elevate e riteneva che la struttura dei rotabili monorotaia con il baricentro molto basso avrebbe conferito al convoglio una maggiore stabilità, riducendo il rischio di svio anche in curve di raggio più ridotto di quelle allora in uso. Il Behr dette una dimostrazione delle sue idee nel 1897 con una linea dimostrativa presentata nel parco di Tervueren all'Esposizione internazionale di Bruxelles, raggiungendo la velocità di 120 km/h; la descrizione che segue si riferisce a questa linea, destinata peraltro a rimanere unica, il progetto Behr non avendo avuto alcuna ulteriore applicazione.

Via di corsa

La via di corsa, lunga circa 4800 metri, è formata da due curve di 500 metri di raggio raccordate parabolicamente a tratti in rettilineo, con pendenze variabili dal 10 al 21 per mille. Una rotaia a doppio fungo R è montata alla sommità di una serie di cavalletti in ferro alti circa un metro e mezzo, a intervalli di un metro, fissati ad usuali traverse in legno che appoggiano su ballast in pietrisco; i montanti dei cavalletti sono ferri ad angolo da 90 mm di lato e 10 mm di spessore e sono collegati da traverse da 60x60x6 mm alle estremità delle quali appoggiano altre quattro rotaie leggere S, due per lato. Sulle traverse è anche montata la linea di contatto consistente in un ferro ad U rovesciato e, montato su isolatori.

Rotabili, cassa e rodiggio

I rotabili sono costruiti secondo lo schema della figura a destra in alto: telaio e cassa appoggiano, tramite la ruota a doppio bordino P, sulla rotaia R posta alla sommità dei cavalletti; il telaio ha forma avvolgente e si prolunga in basso mantenendosi a 180 mm circa dal suolo; una opportuna distribuzione del carico mantiene il baricentro della vettura il più possibile in basso.

La figura sopra riportata dà un disegno di insieme di un rotabile: la cassa è montata su un telaio a due carrelli, ognuno a quattro ruote, delle quali due motrici; vista la ridotta comprensibilità del disegno, diamo qui di seguito alcuni chiarimenti.

La parte sinistra del disegno è una sezione trasversale del telaio in corrispondenza di un carrello; la parte destra è una sezione longitudinale del carrello (le lettere nei due schemi si corrispondono). La parte bassa del telaio, in forma scatolata, è solidale ai supporti B dell'albero A della puleggia P; la trave T, che sostiene la cassa Z, molleggia sul telaio attraverso le molle a balestra U. Oltre ad appoggiarsi alla rotaia superiore R, il telaio appoggia lateralmente alle rotaie S attraverso le piccole pulegge o rulli p, che garantiscono la stabilità agli spostamenti laterali del rotabile. I motori di trazione, due per carrello, sono montati dalle due parti del telaio; la figura ne mostra uno, M, che aziona l'albero A a mezzo delle pulegge Q collegate dalle cinghie dentate C tipo Renold; l'altro motore, M' nella parte sinistra del telaio, aziona l'altra puleggia motrice con analoghi dispositivi. La distanza costante tra albero motore e albero A è garantita dalla biella N. In e è la presa di corrente di trazione. Tutti gli accoppiamenti rotoidali sono dotati di cuscinetti a sfere. Le prese di corrente sono costituite da un piccole pulegge di bronzo condotte da bielle, correnti sulla striscia conduttrice fissata alle traverse.

Alimentazione e motori

La linea di contatto è alimentata a 700 V c.c.. I quattro motori sono da 150 CV a 600 g/m, velocità alla quale la vettura raggiungerebbe i 155 km/h; sono ad eccitazione in serie, a quattro poli del tipo detto in passato a poli conseguenti, tali cioè che delle quattro espansioni polari solo due portano bobine; all'epoca erano molto usati per il ridotto ingombro che presentavano in una delle due dimensioni trasversali.

Altri dati dei motori: indotto diametro 661 mm, lunghezza 270 mm; collettore a 184 lamelle; peso 3700 kg; quattro spazzole due a due in parallelo.

Peso del rotabile e freni

Il rotabile pesa circa 55 tonn. e può portare fino a 100 persone. Dispone di un ordinario freno a ceppi sulle ruote con comando a mano e di un freno aerodinamico, sotto forma di alettoni mobili disposti sui frontali che, su comando del macchinista, possono essere ruotati e posti in posizione normale alla direzione di marcia (ci permettiamo di dubitare dell'efficacia di tale freno); lo spazio di arresto è di 1000-1200 m a 150 km/h, non è detto se con l'impiego del freno aerodinamico o no.

Il rotabile di Behr.
Il trespolo davanti in basso non è un oggetto lasciato dopo qualche lavoro, ma è un elemento della via di corsa
per alta velocità. Le strisce verticali sul frontale a cuneo sono gli alettoni del freno aerodinamico.

Linea sperimentale ad alta velocità Marienfelde-Zossen.
Monorotaia Zipernowsky.

rev. A1 11/09/21