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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Locomotora. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Una locomotora de vapor es una locomotora autónoma con una planta de energía de vapor que utiliza máquinas de vapor como motor.
La historia de la locomotora de vapor combina dos historias: la historia de la vía férrea y la historia de la locomotora. Además, el primero surgió mucho antes que el segundo. Sebastian Münster escribe sobre el uso de rieles de madera en la minería en su libro, publicado en 1541. En el siglo XVIII, los rieles comenzaron a fabricarse con hierro fundido y, a principios del siglo XIX, con hierro dulce (el hierro fundido, debido a su fragilidad, se derrumbó rápidamente). Durante mucho tiempo, las vías del tren se construyeron solo en las minas, pero luego se generalizaron las carreteras de pasajeros tiradas por caballos. El primer ferrocarril de este tipo se construyó en 1801 en Inglaterra entre Wandsworth y Croydon. En cuanto a la locomotora, solo pudo existir después del gran invento de Watt. Tan pronto como la máquina de vapor ganó cierta popularidad, hubo muchos inventores que intentaron adaptarla a las necesidades del transporte, por ejemplo, utilizando una máquina de vapor como motor para un carro autopropulsado. El primer intento de este tipo fue realizado por el asistente de Watt, Murdoch. Entendió antes que otros que el motor de un automóvil de vapor debe diferir en diseño de una máquina de vapor estacionaria. Para que el vagón pueda transportar una carga útil además de sí mismo, el motor debe ser compacto, ligero y potente. En primer lugar, Murdoch propuso aumentar la presión en el cilindro a 3-3 atmósferas (entonces esta presión se consideró muy alta). También consideró necesario abandonar el condensador y liberar el vapor de escape "por escape" a la atmósfera. En 5, Murdoch construyó un modelo funcional de un carro de vapor. Sin embargo, Watt reaccionó con mucha frialdad a los experimentos de su asistente, y Murdoch tuvo que abandonar sus experimentos. Afortunadamente, un adolescente brillante e inquisitivo, Richard Trivaitik, estuvo presente durante los experimentos de Murdoch en Redrete. Lo que vio le causó una gran impresión y, habiendo madurado, dedicó su vida a la creación de vehículos autopropulsados a vapor. Trivaitik comenzó donde lo dejó Murdoch. Primero, diseñó una máquina de vapor de alta presión que funcionaba "por escape" sin condensador.
Luego, en 1801-1803, construyó una serie de vagones de vapor que funcionaron con gran éxito en el mal camino de Camborne a Plymouth. De hecho, estos fueron los primeros coches de la historia. Pero antes de la invención de los neumáticos, solo los entusiastas podían conducir tales máquinas. Había pocos buenos caminos, y ningún resorte salvó al auto y a su conductor de fuertes sacudidas. Además, todas estas estructuras eran muy voluminosas y pesadas para moverse por caminos de terracería.
Trivaitik tuvo la idea de poner un vagón de vapor sobre rieles. En 1804 creó su primera locomotora de vapor. Esta locomotora era una caldera de vapor cilíndrica apoyada sobre dos ejes. La cámara de combustión estaba situada delante, debajo de la chimenea, por lo que el ténder (un vagón con carbón, donde se sentaba el fogonero) tenía que engancharse delante de la locomotora. Un largo cilindro horizontal de 210 mm de diámetro tenía una carrera de pistón de 1 m El vástago del pistón sobresalía mucho por delante de la locomotora y estaba sostenido por un soporte especial. En un lado de la locomotora había una transmisión compleja de engranajes y ruedas en ambos ejes, en el otro, un volante grande, como una máquina de vapor de fábrica. En muchos aspectos, esta primera locomotora a vapor de la historia tenía características asombrosas. Así, con un peso propio de 4 toneladas, transportaba cinco vagones con un peso total de 5 toneladas a una velocidad de 8 km/h.Vacío, se desplazaba a una velocidad de 25 km/h.
Trivaitik no estaba seguro de que la fricción entre las ruedas y los rieles fuera suficiente para el avance de la locomotora. Por lo tanto, la parte exterior de la rueda, que sobresalía más allá de los rieles, estaba tachonada con cabezas de clavos, que se presionaban en las barras paralelas a los rieles. Sin embargo, muy pronto Trivaitik se convenció de que no había necesidad de estos dispositivos adicionales: la locomotora podía moverse perfectamente sobre rieles lisos y arrastrar varios vagones detrás de ella. A pesar de su buen rendimiento de conducción, la primera locomotora de vapor no despertó interés. El hecho es que Trivaitik tuvo que demostrar su descendencia en el ferrocarril de caballos Merthyr Tydfil. La pesada locomotora de vapor rompía constantemente los rieles de hierro fundido. Era obvio que tendrían que construirse caminos especiales para él. Sin embargo, los propietarios de las minas, a quienes Trivaitik quería que se interesaran por la locomotora de vapor, no querían invertir en la construcción de una nueva carretera y se negaron a financiar al inventor. En los años siguientes, Trivaitik diseñó y construyó varias locomotoras de vapor más. La locomotora de vapor de 1808 fue un paso más adelante. Trivaitik retiró el voluminoso tren de engranajes. El movimiento del cilindro vertical se transmitía a través de simples bielas con manivelas al eje trasero. Parte del vapor de escape se usó para calentar agua en la caldera y otra parte se liberó a través de un orificio angosto en la chimenea para aumentar el tiro en el horno. Esta locomotora de vapor mejorada alcanzaba una velocidad de 30 km/h cuando estaba vacía. Sin embargo, nadie estaba interesado en un auto tan maravilloso tampoco. En 1811, finalmente arruinado, Trivaitik tuvo que detener sus experimentos. Su problema fue que llegó con su invento demasiado pronto. No solo el hierro, sino también el hierro fundido seguían siendo demasiado caros. Por lo tanto, la construcción de ferrocarriles parecía poco rentable. También había muy pocas máquinas de corte de metales de alta precisión. Todas las partes de la locomotora debían hacerse a mano, su costo era alto. Además, hubo una guerra con Napoleón, Inglaterra estaba constreñida por el bloqueo continental y todos los proyectos que requerían grandes inversiones no pudieron implementarse. Pero, por supuesto, ninguna dificultad pudo detener el pensamiento técnico. Aparecieron nuevos inventores que se dedicaron a la creación de una locomotora de vapor. Durante mucho tiempo estuvo muy extendida entre los mecánicos la creencia de que una rueda lisa no podía rodar sobre un raíl de hierro liso. Tratando de evitar este peligro imaginario, algunos inventores tomaron el camino equivocado. En 1812, Blenkiston, uno de los propietarios de Middleton Colliery en Yorkshire, construyó un pequeño ferrocarril de 6 km de largo entre Middleton y Leeds específicamente para la locomotora de vapor. En el mismo año, el mecánico Murray construyó una locomotora de vapor según el proyecto de Blankiston, que tenía un desempeño técnico bastante bueno. Se movía sobre rieles ordinarios y tenía ruedas con llantas lisas. Pero el movimiento se llevó a cabo con la ayuda de una rueda dentada que rodaba a lo largo de una cremallera colocada junto a rieles lisos. La máquina tenía dos cilindros de vapor. Las manivelas del motor estaban desplazadas entre sí en 90 grados. Cuando uno de ellos estaba parado, el otro en ese momento actuó con la mayor fuerza.
Fue la primera máquina de vapor de doble efecto capaz de arrancar desde cualquier posición del cigüeñal. La locomotora de vapor Murray podía transportar 20 toneladas de carga útil a una velocidad de 6 km/h. Con una carga más liviana, podría tomar subidas muy empinadas. Varias de estas locomotoras a vapor se construyeron para dar servicio a las minas, pero no se utilizaron mucho debido a que tenían una velocidad muy baja, un precio alto y, a menudo, estaban inactivas debido a las vías rotas. Otro inventor, Brunton, en 1813 construyó una locomotora de vapor con dos mecanismos que, como patas, debían empujar el suelo y hacer avanzar el carro (durante la primera prueba, esta locomotora explotó, ya que se cometieron errores en el cálculo de la caldera).
Pronto se demostró que una rueda lisa podía moverse a lo largo de un riel liso. Dos inventores, Blackett y Headley, construyeron un carro especial con llantas lisas, que era conducido por personas en un tren de engranajes. El hierro se cargó en el carro, cambiando así su peso. En el transcurso de estos experimentos se demostró que el rozamiento de las ruedas motrices del bogie (es decir, aquellas ruedas que recibían revoluciones del motor) era 50 veces mayor que el rozamiento de las ruedas que rodaban libremente por el raíl. Por tanto, gracias al tope de sus ruedas motrices, cualquier locomotora podía arrastrar una carga 50 veces mayor que su carga de acoplamiento (el peso que cae sobre las ruedas de una locomotora a vapor emparejada con un motor). En 1815, Blackett y Hadley montaron una muy buena locomotora, a la que llamaron "Puffing Billy". Con los dibujos de Trivaitik a su disposición, pudieron aprovechar muchos de sus desarrollos. Durante mucho tiempo, los diseñadores lucharon con el problema que enfrentaban todos los inventores de la locomotora de vapor de esa época: cómo reducir la carga por eje para que la locomotora no rompiera los rieles. Al principio, esto sucedía con demasiada frecuencia, por lo que antes de cada viaje había que cargar el ténder con una provisión de rieles de hierro fundido. Finalmente, Blackett y Hadley pusieron la caldera en el mismo bastidor que el ténder, proporcionándole cuatro pares de ruedas, de modo que "Billy" tenía cuatro ejes motrices. Solo después de eso dejó de estropear las pistas. Esta locomotora estuvo en funcionamiento en la mina hasta 1865, después de lo cual fue entregada al Museo de Londres.
Mientras tanto, la victoria final sobre Napoleón provocó un cambio en las condiciones del mercado. Inglaterra entró en un período de un nuevo auge industrial. La demanda de carbón aumentó considerablemente, como resultado de lo cual los propietarios de las minas se hicieron cada vez más conscientes de la necesidad del transporte a vapor. Ahora muchos de ellos estaban dispuestos a financiar experimentos sobre la construcción de locomotoras de vapor. En ese momento, la idea de la tracción a vapor estaba en el aire, varias decenas de mecánicos trabajaron en ella en diferentes lugares de Inglaterra a la vez, desarrollando varios diseños de locomotoras a vapor. Las locomotoras diseñadas y construidas por George Stephenson resultaron ser más exitosas que otras. En 1812, como mecánico jefe de las minas de Killingworth, Stephenson le propuso a su maestro, Thomas Liddell, el diseño de su primera locomotora de vapor. Estuvo de acuerdo en pagar por su construcción. En 1814 se completó la obra. La locomotora a vapor, que recibió el nombre de "Blucher", participaba en el mantenimiento de la mina. En diseño, se parecía mucho a la locomotora de vapor Blenkinston, pero sin rueda dentada. Tenía dos cilindros de vapor colocados verticalmente; el movimiento del pistón se transmitía mediante bielas a dos rampas principales. Estas pendientes estaban conectadas por una transmisión de ruedas dentadas. El ténder se separó de la locomotora y se enganchó en la parte trasera. "Blucher" podía transportar una carga que pesaba 30 toneladas, pero no podía tomar subidas pronunciadas y desarrollaba una velocidad de solo 5 km / h con una carga. En muchos aspectos, era inferior al "Puffing Billy" y después de un año de operación resultó ser solo un poco más rentable que los caballos utilizados anteriormente. La razón de la falla fue la tracción débil. El vapor de escape se liberaba directamente al aire y no a una tubería, donde podía aumentar el tiro en el horno. Stephenson eliminó esta deficiencia en primer lugar. Después de que el vapor de escape comenzó a fluir hacia la tubería, el empuje aumentó. La locomotora mejorada ya estaba compitiendo seriamente con los caballos, y Liddell voluntariamente dio dinero para continuar con los experimentos.
En 1815, Stephenson construyó su segunda locomotora de vapor. En este diseño, abandonó la conexión de los ejes con una transmisión por engranajes. Las calderas de vapor verticales se colocaron directamente sobre los ejes y el movimiento de los pistones se transmitió directamente a los ejes motrices, junto con una cadena. En 1816, se completó el tercer motor "Killingworth". Para él, Stephenson primero inventó y aplicó resortes (antes de eso, la caldera se instaló directamente en el marco, como resultado de lo cual la locomotora literalmente sacudió el alma del conductor, rebotando en las articulaciones). Al mismo tiempo, Stephenson trabajó para mejorar la pista. Los rieles de hierro quebradizo se usaban ampliamente en ese momento. Al mover una locomotora de vapor pesada, de vez en cuando revientan en las articulaciones. A Stephenson se le ocurrió la articulación oblicua y obtuvo una patente para ella. Sin embargo, al mismo tiempo le quedó completamente claro que mientras los rieles de hierro fundido no fueran reemplazados por otros de hierro, no se podían esperar mejoras cardinales. El hierro era varias veces más caro que el hierro fundido y los propietarios se mostraban reacios a construir carreteras tan caras. Pero Stephenson demostró que es rentable usar locomotoras de vapor solo cuando su fuerza de tracción es lo suficientemente grande. Para que las locomotoras de vapor puedan transportar grandes trenes y desarrollar velocidades significativas, es necesario resueltamente y sin escatimar en gastos, reconstruir los caminos de caballos existentes, por los que las primeras locomotoras de vapor tuvieron que viajar, en dos aspectos: suavizar las pendientes y fortalecer los rieles. Stephenson logró realizar estas ideas en unos pocos años.
En 1821, Edgar Pease, uno de los propietarios de la mina de Darlington, fundó una empresa para construir un ferrocarril de Darlington a Stockton y le encargó a Stephenson que lo construyera. La longitud total de la vía con ramales laterales fue de 56 km. Fue una empresa importante para aquellos tiempos, y Stephenson emprendió con entusiasmo su implementación. A duras penas consiguió persuadir a Pisa y sus compañeros para que instalaran barandillas de hierro en la mitad de la carretera en lugar de las de hierro, aunque costaban el doble. El 19 de septiembre de 1825, el primer tren de 34 vagones pasó solemnemente por la carretera. Seis de ellos estaban cargados de carbón y harina, el resto tenían bancos para el público. Todos estos vagones fueron tirados por una nueva locomotora de vapor "Movimiento", que fue operada por el propio Stephenson. Al son de la música y las alegres exclamaciones de los pasajeros, el tren pasó con éxito a Stockton.
La velocidad media del tren era de 10 km/h. Frente a la locomotora, un jinete con una bandera galopaba, pidiendo al público que soltara los rieles. En algunos tramos tuvo que correr a toda velocidad, porque el tren aceleraba a 24 km/h. En total, más de 600 pasajeros fueron transportados en este vuelo. Junto con el resto de la carga, esta audiencia pesaba unas 90 toneladas.
Con la construcción exitosa de Darlington-Stockton Road, el nombre de Stephenson se hizo ampliamente conocido. En 1826, la junta directiva de Manchester-Liverpool Road Transport Company le ofreció a Stephenson el puesto de ingeniero jefe con un salario de 1000 libras esterlinas. La construcción de este camino fue de gran dificultad, ya que discurría por un terreno muy accidentado. Hubo que levantar muchas estructuras artificiales diferentes: terraplenes, excavaciones, túneles, etc. Se construyeron algunos puentes 63. Bajo el propio Liverpool, fue necesario construir un túnel de 2 km de largo en el suelo rocoso. Luego tuve que hacer un corte en una roca arenosa alta (en total, durante este trabajo se sacaron 4 mil metros cúbicos de piedra). Particularmente difícil fue la construcción de un lienzo a través de los pantanos de turba de Chet Moss, de 480 km de ancho y 6 m de profundidad. El costo total del trabajo pronto superó todas las estimaciones preliminares, mientras que Stephenson exigió con insistencia que se colocaran costosos rieles de hierro en lugar de baratos yesos. rieles de hierro Necesitó toda su elocuencia y toda su autoridad para demostrar a los directores que así y no de otro modo se deben construir los ferrocarriles. Finalmente, todos los obstáculos fueron superados con éxito. En 1829, cuando la carretera estaba casi terminada y ya era necesario pensar en material rodante, la empresa convocó un concurso libre para el mejor diseño de locomotora. Cerca de Rainhill, se asignó una nueva sección de 3 km de largo. Las locomotoras de vapor que participaban en la competencia debían recorrer esta distancia 20 veces. Stephenson exhibió en Rainhill su nueva locomotora a vapor "Rocket", construida en su fábrica según la última tecnología de la época. En 1826, desarrolló el diseño de una locomotora con un cilindro inclinado (por primera vez se probó en la locomotora de vapor "América"). Esto permitió reducir el espacio dañino en los cilindros, lo que, con su disposición vertical, era muy importante. La caldera de vapor también se mejoró significativamente y se utilizaron por primera vez tubos de humo, sobre los cuales hay que decir más. En general, la caldera de vapor era uno de los componentes más importantes de la locomotora de vapor, de la que dependían en gran medida sus características técnicas. Se le impusieron una serie de requisitos: con un pequeño consumo de carbón y agua, tenía que dar la mayor cantidad posible de vapor elástico. Este efecto podría lograrse, en primer lugar, aumentando el área de contacto entre el agua y los gases calientes.
Las primeras locomotoras de vapor usaban una caldera cilíndrica simple. Aquí D es una tapa donde se recoge el vapor, conducido a las válvulas de vapor a través de uno de los tubos B (el otro estaba conectado a la válvula de seguridad). La caldera tenía una parrilla inclinada R, a través de la cual se entregaba aire atmosférico al carbón vertido a través del embudo T. El carbón se deslizaba por el embudo mientras se quemaba, y la combustión más fuerte ocurría en el fondo de la parrilla; la llama de allí subió debajo de la bóveda inclinada G, donde había una abertura b, a través de la cual los gases calientes entraban en la primera chimenea F debajo de la caldera. Luego, estos gases entraron c y en la chimenea lateral F, y a través de la conexión d en el lado frontal pasaron nuevamente a lo largo de F hasta la parte posterior de la caldera, desde donde ya habían sido expulsados a la chimenea. Por lo tanto, la caldera, por así decirlo, fluía con aire caliente por todos lados. La puerta de cenizas K y el amortiguador S eran dispositivos simples con los que el fogonero regulaba el flujo de aire hacia la cámara de combustión.
La modificación más simple de una caldera cilíndrica fue una caldera con un tubo de llama, en la que la primera chimenea no pasaba por debajo de la caldera, sino por dentro. El siguiente paso fue la caldera tubular, inventada en 1828 por el ingeniero francés Seguin. Tubos de humo de metal pasaban dentro de esta caldera, a través de los cuales el gas caliente se movía desde el horno hasta la chimenea. En una caldera tubular, la superficie de calentamiento era mucho mayor que en una cilíndrica. Al mismo tiempo, una parte mucho mayor del calor se vaporizaba y una parte relativamente menor volaba hacia la chimenea. En el "Rocket" la superficie total de calentamiento de la caldera era de unos 13 metros cuadrados, de los cuales 11 correspondían a tubos, por lo tanto, con las mismas dimensiones, la productividad de la caldera era mucho mayor.
Las competiciones de Rainhill se convirtieron en un evento importante en la historia de la locomotora; se cree que terminaron el período de su infancia. A la competencia asistieron cerca de 10 mil espectadores, y esto habla mejor de todo del gran interés del público común en el transporte a vapor. Las esperanzas que Stephenson depositó en su creación estaban plenamente justificadas. 10 de octubre "Rocket", va vacío, ha desarrollado una velocidad récord para esos tiempos de 48 km / h. Con un peso propio de 4 toneladas, esta locomotora tiraba libremente de un tren con un peso total de 5 toneladas a una velocidad de 17 km/h. La velocidad de la locomotora de vapor con un automóvil de pasajeros alcanzó los 21 km / h. Por todas las medidas, el "Rocket" fue un orden de magnitud mejor que todas las demás locomotoras, y el premio de 500 libras fue otorgado a Stephenson. Lo compartió con su asistente Booth, quien le propuso la idea de una caldera tubular (ni Booth ni el propio Stephenson en ese momento sabían nada sobre el invento de Seguin). La "Cohete" puede considerarse una locomotora de vapor completamente perfecta, ya que tenía todas las características más importantes de las locomotoras posteriores: 1) el horno estaba rodeado de agua de caldera; 2) la caldera estaba ubicada horizontalmente y tenía tubos de fuego; 3) entró vapor en la chimenea, lo que aumentó el tiro y aumentó la temperatura del horno; 4) la potencia del vapor se transmitía a las ruedas a través de las bielas sin engranajes. Al año siguiente se inauguró la línea Liverpool - Manchester. La construcción de la carretera requirió inversiones de capital inauditas en ese momento. El costo total de su colocación ascendió a 739 mil libras. Sin embargo, la necesidad de este camino era tan grande que valió la pena con bastante rapidez. Esta fue la mejor recomendación para un nuevo modo de transporte. Unos años más tarde, comenzó la construcción de ferrocarriles rápidos en todo el mundo. La era de la locomotora de vapor había comenzado. La importancia de la carretera Liverpool-Manchester en este proceso difícilmente puede sobreestimarse: fue el primer gran proyecto de construcción de ferrocarril técnicamente correcto de la historia. Muchos de los hallazgos de Stephenson, relacionados con la construcción de terraplenes, la construcción de presas y túneles, la colocación de rieles y traviesas, etc., se convirtieron más tarde en un modelo para otros ingenieros. Los cambios a gran escala causados por el uso generalizado de las locomotoras de vapor fueron tan grandes que se puede decir sin exagerar: cambiaron la faz del mundo. Antes de la invención de los ferrocarriles, las ciudades industriales más importantes se encontraban a lo largo de la costa o sobre ríos navegables. Los veleros servían como principal medio de transporte. En el interior del país, el transporte de mercancías se realizaba en vehículos tirados por caballos, y en todos los países las carreteras estaban en muy mal estado. A falta de carreteras, la industria no podía desarrollarse. Sin embargo, muchos territorios que tenían minerales estaban condenados a la inactividad. La transición al transporte a vapor condujo a un aumento significativo en la velocidad de movimiento y la rotación de la carga, a pesar de que el costo del transporte ha disminuido notablemente. Las áreas más remotas pronto se conectaron por vía férrea con los centros industriales, los puertos y las fuentes de materias primas, y se vieron envueltas en el ritmo general de la vida económica. La distancia dejó de ser un obstáculo y la industria recibió un poderoso impulso para su desarrollo. Autor: Ryzhov K.V.
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