Dzelzceļu vēsture: no sliežu ceļiem līdz Hyperloop vilcieniem

Kopš to izgudrošanas dzelzceļiem ir bijusi milzīga loma civilizāciju tālākā attīstībā visā pasaulē. No senās Grieķijas līdz mūsdienu Amerikai dzelzceļi ir mainījuši cilvēku pārvietošanās un darba veidu.

Agrākais dzelzceļa pārvadājumu veids faktiski datēts ar 600 B.C. Grieķi bruģētās rievās veidoja rievas kaļķakmens ceļi izmantošanai kopā ar riteņu transportlīdzekļiem, atvieglojot laivu pārvadāšanu pa Korinta. Tomēr, kad romieši iekaroja grieķus 146. gadā p.m.ē., agrīnie dzelzceļi sabruka un pazuda vairāk nekā 1400 gadu garumā.

Pirmā modernā dzelzceļa transporta sistēma neatgriezās līdz 16. gadsimtam. Pat tad būtu pagājuši vēl trīs simti gadu, pirms tvaika lokomotīves izgudrojums pārveidotu dzelzceļa pārvadājumus globālā mērogā.

Mūsdienu vilcienu priekšgājēji debitēja 1550. gadu sākumā Vācijā, ieviešot vagonus. Šie primitīvie sliežu ceļi sastāvēja no koka sliedēm, pa kurām zirgu vilktie vagoni vai rati varēja pārvietoties daudz vieglāk nekā pa netīrumiem. Līdz 1770. gadiem koka sliedes bija aizstātas ar dzelzs. Šie vagonceļi pārtapa par tramvajiem, kas izplatījās visā Eiropā. 1789. gadā anglis Viljams Jessups projektēja pirmos vagonus ar atloka ritenīšiem, kas bija rievoti, ļaujot riteņiem labāk saķerties ar sliedi. Šī svarīgā dizaina iezīme tika pārnesta uz jaunākajām lokomotīvēm.

Līdz 1800. gadiem dzelzceļi tika būvēti no čuguna. Diemžēl čugunam bija tendence uz rūsu un tas bija trausls, bieži izraisot tā sabrukšanu stresa apstākļos. 1820. gadā Džons Birkinshavs izgudroja izturīgāku materiālu, ko sauc par kaltas dzelzi. Šis jauninājums, lai arī uzlabojumi salīdzinājumā ar čugunu joprojām bija kļūdaini, tomēr līdz standartam Bessemers Šis process ļāva lētāk ražot tēraudu 1860. gadu beigās, izraisot dzelzceļa straujo paplašināšanos ne tikai visā Amerikā, bet arī visā pasaulē. Galu galā Bessemera process tika aizstāts ar atvērtu kamīnu kurtuvju izmantošanu, kas vēl vairāk samazināja tērauda ražošanu un ļāva vilcieniem savienot lielāko daļu ASV lielāko pilsētu līdz 19. gs. beigām gadsimtā.

Paredzot progresīvai dzelzceļu sistēmai pamatus, atlika tikai atrast nozīmē pārvadājumus vairāk cilvēku un vairāk preču garākiem attālumiem īsākā laika posmā laiks. Atbilde bija viena no visvairāk nozīmīgi izgudrojumi no Industriālā revolūcija, tvaika dzinējs, kas bija kritiski svarīgs mūsdienu dzelzceļa un vilcienu attīstībai.

1803. gadā kāds vīrietis vārdā Samuels Homfrejs nolēma finansēt tvaika piedziņas transportlīdzekļa attīstību, lai aizstātu zirgu pajūgus uz tramvajiem. Ričards Trevickis uzbūvēja šo transportlīdzekli, pirmo tvaika dzinēju tramvaja lokomotīvi. 1804. gada 22. februārī lokomotīve pieveda 10 tonnu dzelzs, 70 cilvēku un piecu papildu vagonu kravas deviņos jūdzes starp dzelzslietuvēm Pen-y-Darron Merthyr Tydfil pilsētā Velsā līdz Abercynnon lejasdaļai ieleja. Ceļojuma pabeigšana ilga apmēram divas stundas.

1812. gadā angļu izgudrotājs Džordžs Stefansons kļuva par Stoktonas un Darlingtonas dzelzceļa līnijas kapteiņa inženieri. Līdz 1814. gadam viņš viņiem bija uzbūvējis savu pirmo lokomotīvi. Pēc neilga laika viņš pārliecināja īpašniekus izmēģināt lokomotīvi, kas darbināma ar tvaiku. Pirmie centieni tika nosaukti par Lokomotīve. Kamēr Stefansons tiek uzskatīts par pirmā dzelzceļa tvaika lokomotīvju dzinēja izgudrotāju, Trevithick izgudrojums tiek minēts kā pirmais tramvaju lokomotīve.

1821. gadā anglis Julius Griffiths kļuva par pirmo personu, kas patentēja pasažieru ceļa lokomotīvi. Līdz 1825. gada septembrim, izmantojot Stefansona lokomotīves, Stockton & Darlington Railroad Company uzsāka pirmo dzelzceļu, kas pārvadāja gan preces, gan pasažierus, kas ceļo parastajos grafikos. Šie jaunie vilcieni deviņu jūdžu attālumā aptuveni stundas laikā varētu vilkt sešas piekrautas ogļu automašīnas un 21 vieglo automašīnu ar 450 pasažieru ietilpību.

Neilgi pēc tam Stefansons atvēra savu uzcelto firmu Robertu Stefensonu un uzņēmumu. Viņa slavenākais prototips, Stefansona raķete, tika projektēts un būvēts Rainhill Trials, 1829. gada pasākumam, ko rīkoja Liverpūle un Mančestras dzelzceļš, lai izvēlētos labāko dizainu jauno lokomotīvju darbināšanai. Raķete, sava laika vismodernākā lokomotīve, viegli uzvarēja un turpināja noteikt standartu, pēc kura nākamajiem 150 gadiem tiks uzbūvēta lielākā daļa tvaika dzinēju.

Pulkvedis Džons Stīvenss tiek uzskatīts par dzelzceļnieku tēvu Amerikas Savienotajās Valstīs. 1826. gadā Stīvenss demonstrēja tvaika pārvietošanās iespējamību eksperimentālā apļveida trasē, kas izbūvēta savā īpašumā Hobokenā, Ņūdžersijā - trīs gadus pirms Stefansons pilnveidoja praktisko tvaika lokomotīvi Anglija.

Pirmajam dzelzceļa hartam Stīvensam tika piešķirta 1815. gadā Ziemeļamerikā, bet citi sāka saņemt dotācijas un drīz pēc tam sākās darbs pie pirmajiem dzelzceļa sliedēm. 1930. gadā Pīters Kūpers projektēja un uzbūvēja pirmo amerikāņu būvēto tvaika lokomotīvi Toms Īkšķis, izmantojams pa dzelzceļu ar parasto vilcienu.

Vēl vienam nozīmīgam 19. gadsimta vilcienu jaunievedumam nebija nekā kopīga ar piedziņu vai enerģijas piegādi. Tā vietā viss bija saistīts ar pasažieru ērtībām. Džordžs Pulmans izgudroja guļamvagonu Pullman 1857. gadā. Kaut arī guļošās automašīnas amerikāņu dzelzceļos tika izmantotas kopš 1830. gadiem, automašīna Pullman bija kas īpaši paredzēts pasažieru ceļojumiem pa nakti, un tika uzskatīts par būtisku uzlabojumu salīdzinājumā ar to priekšgājēji.

Kamēr lokomotīves, kas darbojas ar tvaiku, nenoliedzami ietekmēja pārvadājumus un ekonomisko paplašināšanos 19^th gadsimtā tehnoloģija nebija bez trūkumiem. Viens no problemātiskākajiem bija dūmi, kas radās, sadedzinot ogles un citus kurināmā avotus.

Kamēr kaitīgie blakusprodukti bija pieļaujami atklātā laukā, pat agrīnā laika posmā, degvielas izplūdes radītie draudi kļuva vēl acīmredzamāki, jo dzelzceļi, kas iebraukuši vairāk apdzīvotās vietās, kas savukārt izraisīja arvien lielāku skaitu pazemes tuneļu, lai pielāgotos vilcieniem, kas dodas pilsētas virzienā galamērķiem. Tuneļa situācijā dūmi var kļūt letāli, it īpaši, ja vilciens iestrēdzis zem zemes. Vilcieni, ko darbina elektrība, šķita acīmredzama alternatīva, bet agrīnā elektrisko vilcienu tehnoloģija vienkārši nespēja pieturēties pie tvaika lielos attālumos.

Pirmo elektriskās lokomotīves prototipu 1837. gadā uzbūvēja skotu ķīmiķis Roberts Davidsons, darbinot ar galvanisko akumulatoru elementiem. Davidson nākamā lokomotīve, lielāka versija ar nosaukumu Galvani, debitēja Skotijas Karaliskās mākslas biedrības izstādē 1841. gadā. Tas svēra septiņas tonnas, tam bija divi tiešās piedziņas pretestības motori, kas izmantoja fiksētus elektromagnētus, kas iedarbojas uz dzelzs stieņiem, kas piestiprināti pie katras cilindra koka cilindriem. Kamēr tas tika pārbaudīts Edinburgas un Glāzgovas dzelzceļā 1841. gada septembrī, tā akumulatoru ierobežotā jauda izputināja projektu. Galvani vēlāk iznīcināja dzelzceļa darbinieki, kuri uzskatīja alternatīvo tehnoloģiju par iespējamu draudu viņu iztikai.

Vernera fon Siemensa - pirmā elektriskā pasažieru vilciena, kas sastāvēja no lokomotīves un trim automašīnām - smadzenes, pirmslaulības brauciens 1879. gadā notika Berlīnē. Vilciena maksimālais ātrums bija nedaudz vairāk kā astoņas jūdzes stundā (13 km). Četru mēnešu laikā tas pārvadāja 90 000 pasažieru uz 984 pēdu (300 metru) apļveida sliežu ceļa. Vilciena 150 voltu līdzstrāva tika piegādāta caur izolētu trešo sliedi.

Elektrisko tramvaju līnijas sāka gūt popularitāti, vispirms Eiropā un vēlāk Amerikas Savienotajās Valstīs, pēc tam, kad tās pirmo reizi parādījās 1881. gadā Lichterfelde tieši ārpus Berlīnes, Vācijā. Līdz 1883. gadam Braitonā, Anglijā, kursēja elektriskais tramvajs, un tramvajs, kas uzsāka satiksmi netālu no Vīnes, Austrijā, tajā pašā gadā bija pirmais regulārajā reisā, ko darbināja ar gaisvadu. Pēc pieciem gadiem Frenka Dž projektētie elektriskie ratiņi Sprague (izgudrotājs, kurš savulaik strādāja Tomasam Edisonam) devās uz Ričmondas savienības Pasažieru dzelzceļa sliedēm.

Pirmo pazemes elektriskā dzelzceļa līniju pilsētas un Dienvidlondonas dzelzceļš uzsāka 1890. gadā. Pēc pieciem gadiem Sprague nāca klajā ar spēli mainošu vilcienu daudzfunkciju vilces kontroles sistēmu (MU). Katra automašīna bija aprīkota ar vilces motoru un motora vadāmiem relejiem. Visas automašīnas izmantoja jaudu no vilciena priekšpuses, un vilces motori darbojās vienoti. MU savu pirmo praktisko instalāciju South Side Elevated Railroad (tagad ietilpst Čikāgas L daļā) ieguva 1897. gadā. Ar Sprague izgudrojuma panākumiem elektrība drīz vien kļuva par metro izvēlētās barošanas avotu.

1895. gadā Baltimores jostas līnijas Baltimore un Ohaio dzelzceļa (B&O) četru jūdžu posms, kas savienojās ar Ņujorku, kļuva par pirmo amerikāņu galveno dzelzceļa līniju, kas tika elektrificēta. Tvaika lokomotīves pievilkās līdz elektrificētās līnijas dienvidu galam, pēc tam tika savienotas ar vilcieniem ar elektrību un izvilktas cauri Baltimoras apkārtnes tuneļiem.

Ņujorka bija viena no ātrākām, kas aizliedza tvaika dzinējus no viņu vilcienu tuneļiem. Pēc 1902. gada Park Avenue tuneļa sadursmes uz dienvidiem no Harlemas upes tika aizliegta dūmus radošu lokomotīvju izmantošana. Ņujorkas centrālais dzelzceļš elektriskās lokomotīves sāka lietot līdz 1904. gadam. Kopš 1915. gada Čikāgas, Milvoki, Sentpola un Klusā okeāna dzelzceļa elektriskais pakalpojums šķērso Akmenskalnus un Rietumu krastu. Līdz 30. gadiem Pensilvānijas dzelzceļš bija elektrificējis visu savu teritoriju uz austrumiem no Harisburgas, Pensilvānijas štatā.

Līdz ar vilcieniem, kas darbināmi ar dīzeļdegvielu pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados un nākamajās desmitgadēs, elektrisko vilcienu infrastruktūras paplašināšanās palēninājās. Tomēr galu galā dīzeļdegviela un elektriskā jauda tiktu apvienota, lai izveidotu vairākas elektrodīzeļdegvielas paaudzes un hibrīdi, kas izmantoja labākās no abām tehnoloģijām un kļūs par standartu daudziem dzelzceļiem līnijas.

Sešdesmitajos un septiņdesmito gadu sākumā bija liela interese par iespēju būvēt pasažieru vilcienus, kas varētu ceļot daudz ātrāk nekā parastie vilcieni. Kopš 70. gadiem interese par alternatīvu ātrgaitas tehnoloģiju, kuras centrā ir magnētiskā levitācija, vai maglev, kurā automašīnas brauc ar gaisa spilvenu, ko rada elektromagnētiskā reakcija starp borta ierīci un citu, kas iestrādāta tās ceļvedī.

Pirmais ātrgaitas dzelzceļš kursēja starp Tokiju un Osaku Japānā un tika atvērts 1964. gadā. Kopš tā laika visā pasaulē ir būvēts daudz vairāk šādu sistēmu, tostarp Spānijā, Francijā, Vācijā, Itālijā, Skandināvijā, Beļģijā, Dienvidkorejā, Ķīnā, Apvienotajā Karalistē un Taivānā. ASV ir apspriedušas arī ātrgaitas dzelzceļa uzstādīšanu starp Sanfrancisko un Losandželosu un Austrumu krastā starp Bostonu un Vašingtonu, D.C.

Kopš tā laika elektriskie dzinēji un vilcienu transporta tehnoloģiju sasniegumi ļāva cilvēkiem ceļot ar ātrumu līdz 320 jūdzēm stundā. Vēl vairāk sasniegumu šajās mašīnās ir attīstības stadijās, ieskaitot Hyperloop cauruļu vilcienu, Paredzams, ka tas sasniegs ātrumu tuvu 700 jūdzēm stundā, ar kuru tika veikts pirmais veiksmīgais prototipa testa brauciens 2007 2017.