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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Locomotiva. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Uma locomotiva a vapor é uma locomotiva autônoma com uma usina a vapor que usa motores a vapor como motor.
A história da locomotiva a vapor combina duas histórias: a história da ferrovia e a história da locomotiva. Além disso, o primeiro surgiu muito antes do segundo. Sebastian Munster escreve sobre o uso de trilhos de madeira na mineração em seu livro, publicado em 1541. No século XVIII, os trilhos começaram a ser feitos de ferro fundido e, no início do século XIX - de ferro macio (o ferro fundido, devido à sua fragilidade, desmoronou rapidamente). Por muito tempo, as ferrovias foram construídas apenas em minas, mas as estradas de passageiros puxadas por cavalos se espalharam. A primeira ferrovia foi construída em 1801 na Inglaterra entre Wandsworth e Croydon. Quanto à locomotiva, ela só veio a existir após a grande invenção de Watt. Assim que a máquina a vapor ganhou alguma popularidade, houve muitos inventores que tentaram adaptá-la às necessidades de transporte - por exemplo, usando uma máquina a vapor como motor de um carrinho automotor. A primeira tentativa desse tipo foi feita pelo assistente de Watt, Murdoch. Ele entendeu antes dos outros que o motor de um carro a vapor deve diferir em design de um motor a vapor estacionário. Para que o vagão possa transportar uma carga útil além de si mesmo, o motor deve ser compacto, leve e potente. Em primeiro lugar, Murdoch propôs aumentar a pressão no cilindro para 3-3 atmosferas (então essa pressão foi considerada muito alta). Ele também considerou necessário abandonar o condensador e liberar o vapor de exaustão "para exaustão" na atmosfera. Em 5, Murdoch construiu um modelo funcional de um carro a vapor. No entanto, Watt reagiu muito friamente aos experimentos de seu assistente, e Murdoch teve que deixar seus experimentos. Felizmente, um adolescente brilhante e curioso, Richard Trivaitik, estava presente durante os experimentos de Murdoch em Redreth. O que viu causou uma grande impressão nele e, tendo amadurecido, dedicou sua vida à criação de veículos automotores a vapor. Trivaitik começou onde Murdoch parou. Primeiro, ele projetou um motor a vapor de alta pressão que funcionava "para exaustão" sem condensador.
Então, em 1801-1803, ele construiu uma série de vagões a vapor, que correram com grande sucesso ao longo da estrada ruim de Camborne a Plymouth. Na verdade, esses foram os primeiros carros da história. Mas antes da invenção dos pneus pneumáticos, apenas entusiastas podiam dirigir essas máquinas. Havia poucas estradas boas, e nenhuma mola salvou o carro e seu motorista de fortes tremores. Além disso, todas essas estruturas eram muito volumosas e pesadas para se deslocar em estradas de terra.
Trivaitik teve a ideia de colocar um vagão a vapor sobre trilhos. Em 1804 ele criou sua primeira locomotiva a vapor. Esta locomotiva era uma caldeira a vapor cilíndrica apoiada em dois eixos. A fornalha estava localizada na frente sob a chaminé, de modo que o tender (um vagão com carvão, onde ficava o foguista) tinha que ser engatado na frente da locomotiva. Um longo cilindro horizontal de 210 mm de diâmetro tinha um curso de pistão de 1 m. A haste do pistão se projetava muito à frente da locomotiva e era apoiada por um suporte especial. De um lado da locomotiva havia uma complexa transmissão de engrenagem e roda em ambos os eixos, do outro - um grande volante, como um motor a vapor de fábrica. Em muitos aspectos, esta primeira locomotiva a vapor da história tinha características surpreendentes. Assim, com peso próprio de 4 toneladas, transportou cinco vagões com peso total de 5 toneladas a uma velocidade de 8 km/h. Vazio, moveu-se a uma velocidade de 25 km/h.
Trivaitik não tinha certeza de que o atrito entre as rodas e os trilhos seria suficiente para o movimento para frente da locomotiva. Portanto, a parte externa da roda, que se projetava além dos trilhos, era cravejada com cabeças de pregos, que eram pressionadas nas barras colocadas paralelamente aos trilhos. No entanto, muito em breve Trivaitik estava convencido de que não havia necessidade desses dispositivos adicionais - a locomotiva poderia se mover perfeitamente ao longo de trilhos lisos e arrastar vários vagões atrás dela. Apesar de seu bom desempenho de condução, a primeira locomotiva a vapor não despertou interesse. O fato é que Trivaitik teve que demonstrar sua prole na ferrovia de cavalos Merthyr Tydfil. A pesada locomotiva a vapor quebrava constantemente os trilhos de ferro fundido. Era óbvio que caminhos especiais teriam que ser construídos para ele. No entanto, os donos das minas, a quem Trivaitik queria que se interessasse pela locomotiva a vapor, não quiseram investir na construção de uma nova estrada e se recusaram a financiar o inventor. Nos anos seguintes, a Trivaitik projetou e construiu várias outras locomotivas a vapor. A locomotiva a vapor de 1808 foi mais um passo à frente. Trivaitik removeu o volumoso trem de engrenagens. O movimento do cilindro vertical era transmitido por meio de bielas simples com manivelas para o eixo traseiro. Parte do vapor de exaustão era usado para aquecer a água na caldeira e parte era liberada através de um orifício estreito na chaminé para aumentar a tiragem na fornalha. Esta locomotiva a vapor melhorada atingiu uma velocidade de 30 km / h quando vazia. No entanto, ninguém estava interessado em um carro tão maravilhoso. Em 1811, finalmente arruinado, Trivaitik teve que interromper seus experimentos. Seu problema foi que ele veio com sua invenção muito cedo. Não apenas o ferro, mas também o ferro fundido ainda eram muito caros. Portanto, a construção de ferrovias parecia não lucrativa. Havia também muito poucas máquinas de corte de metal de alta precisão. Todas as partes da locomotiva tinham que ser feitas à mão, seu custo era alto. Além disso, houve uma guerra com Napoleão, a Inglaterra foi constrangida pelo bloqueio continental e todos os projetos que exigiam grandes investimentos não puderam ser implementados. Mas, é claro, nenhuma dificuldade poderia impedir o pensamento técnico. Surgiram novos inventores que assumiram a criação de uma locomotiva a vapor. Por muito tempo, foi difundida entre os mecânicos a crença de que uma roda lisa não poderia rolar em um trilho de ferro liso. Tentando evitar esse perigo imaginário, alguns inventores seguiram o caminho errado. Em 1812 Blenkiston, um dos proprietários da Middleton Colliery em Yorkshire, construiu uma pequena ferrovia de 6 km de comprimento entre Middleton e Leeds especificamente para a locomotiva a vapor. No mesmo ano, o mecânico Murray construiu uma locomotiva a vapor de acordo com o projeto Blankiston, que teve desempenho técnico bastante bom. Ele se movia em trilhos comuns e tinha rodas com aros lisos. Mas o movimento foi realizado com a ajuda de uma roda dentada rolando ao longo de uma cremalheira colocada ao lado de trilhos lisos. A máquina tinha dois cilindros de vapor. As manivelas do motor foram deslocadas umas das outras em 90 graus. Quando um deles estava parado, o outro naquele momento agia com a maior força.
Foi o primeiro motor a vapor de dupla ação capaz de partir de qualquer posição da manivela. A locomotiva a vapor Murray podia transportar 20 toneladas de carga útil a uma velocidade de 6 km/h. Com uma carga mais leve, ele poderia fazer subidas muito íngremes. Várias dessas locomotivas a vapor foram construídas para servir as minas, mas não foram amplamente utilizadas devido ao fato de terem uma velocidade muito baixa, um preço alto e muitas vezes ficarem ociosas devido a trilhos quebrados. Outro inventor, Brunton, construiu em 1813 uma locomotiva a vapor com dois mecanismos que, como pernas, deveriam empurrar o vagão para a frente (durante o primeiro teste, esta locomotiva explodiu, pois foram cometidos erros no cálculo do caldeira).
Logo ficou provado que uma roda lisa poderia se mover ao longo de um trilho liso. Dois inventores - Blackett e Headley - construíram um carrinho especial com aros lisos, que era conduzido por um trem de engrenagens por pessoas nele. O ferro foi carregado no carrinho, alterando assim seu peso. No decorrer desses experimentos, foi demonstrado que o atrito das rodas motrizes do bogie (ou seja, aquelas rodas que recebiam revoluções do motor) era 50 vezes maior do que o atrito das rodas rolando livremente ao longo do trilho. Portanto, graças à parada de suas rodas motrizes, qualquer locomotiva poderia puxar uma carga 50 vezes maior que sua carga de acoplamento (o peso que cai sobre as rodas de uma locomotiva a vapor emparelhada com um motor). Em 1815, Blackett e Hadley montaram um motor muito bom, que foi chamado de "Puffing Billy". Com os desenhos de Trivaitik à sua disposição, eles puderam tirar proveito de muitos de seus desenvolvimentos. Por muito tempo, os projetistas lutaram com o problema enfrentado por todos os inventores da locomotiva a vapor da época - como reduzir a carga do eixo para que a locomotiva não quebrasse os trilhos. No início, isso acontecia com muita frequência, de modo que, antes de cada viagem, a lancha tinha que ser carregada com um suprimento de trilhos de ferro fundido. Por fim, Blackett e Hadley colocaram a caldeira na mesma estrutura do tender, fornecendo-lhe quatro pares de rodas, de modo que "Billy" tivesse quatro eixos motrizes. Só depois disso ele parou de estragar as faixas. Esta locomotiva foi operada na mina até 1865, após o que foi entregue ao Museu de Londres.
Enquanto isso, a vitória final sobre Napoleão levou a uma mudança nas condições do mercado. A Inglaterra entrou em um período de um novo surto industrial. A demanda por carvão aumentou acentuadamente, o que fez com que os proprietários das minas se conscientizassem cada vez mais da necessidade do transporte a vapor. Agora, muitos deles estavam prontos para financiar experimentos na construção de locomotivas a vapor. Naquela época, a ideia de tração a vapor estava no ar, várias dezenas de mecânicos trabalhavam em diferentes lugares da Inglaterra ao mesmo tempo, desenvolvendo vários projetos de locomotivas a vapor. As locomotivas projetadas e construídas por George Stephenson acabaram sendo mais bem-sucedidas do que outras. Em 1812, como mecânico-chefe das minas de Killingworth, Stephenson propôs a seu mestre, Thomas Liddell, o projeto de sua primeira locomotiva a vapor. Ele concordou em pagar por sua construção. Em 1814 a obra foi concluída. A locomotiva a vapor, que recebeu o nome de "Blucher", estava envolvida na manutenção da mina. Em design, lembrava muito a locomotiva a vapor Blenkinston, mas sem uma roda dentada. Tinha dois cilindros de vapor colocados verticalmente; o movimento do pistão foi transmitido por bielas para duas rampas principais. Essas encostas foram conectadas por uma tração por roda dentada. O tender foi separado da locomotiva e engatado na parte traseira. "Blucher" podia transportar uma carga de 30 toneladas, mas não conseguia subir íngremes e desenvolvia uma velocidade de apenas 5 km / h com uma carga. Em muitos aspectos, ele era inferior ao "Puffing Billy" e, após um ano de operação, acabou sendo apenas um pouco mais lucrativo do que os cavalos usados antes. O motivo da falha foi a tração fraca. O vapor de exaustão era lançado diretamente no ar, e não em uma tubulação, onde poderia aumentar a tiragem na fornalha. Stephenson eliminou essa deficiência em primeiro lugar. Depois que o vapor de exaustão começou a fluir para o tubo, o empuxo aumentou. A locomotiva melhorada já estava competindo seriamente com os cavalos, e Liddell voluntariamente deu dinheiro para continuar os experimentos.
Em 1815 Stephenson construiu sua segunda locomotiva a vapor. Neste projeto, ele abandonou a conexão dos eixos com tração por roda dentada. Caldeiras de vapor verticais foram colocadas diretamente acima dos eixos, e o movimento dos pistões foi transmitido diretamente aos eixos de acionamento, emparelhados com uma corrente. Em 1816, o terceiro motor "Killingworth" foi concluído. Para ele, Stephenson primeiro inventou e aplicou molas (antes disso, a caldeira foi instalada diretamente na estrutura, como resultado da locomotiva literalmente sacudiu a alma do motorista, saltando nas juntas). Ao mesmo tempo, Stephenson trabalhou para melhorar a pista. Trilhos de ferro quebradiço eram amplamente utilizados na época. Ao mover uma locomotiva a vapor pesada, eles de vez em quando estouram nas articulações. Stephenson veio com a articulação oblíqua e tirou uma patente para isso. No entanto, ao mesmo tempo, ficou completamente claro para ele que, enquanto os trilhos de ferro fundido não fossem substituídos por ferros, melhorias importantes não poderiam ser esperadas. O ferro era várias vezes mais caro que o ferro fundido, e os proprietários relutavam em construir estradas tão caras. Mas Stephenson provou que é lucrativo usar locomotivas a vapor apenas quando sua força de tração é grande o suficiente. Para que as locomotivas a vapor possam transportar grandes comboios e desenvolver velocidades significativas, é necessário resolutamente, sem poupar gastos, reconstruir as estradas de cavalos existentes, ao longo das quais as primeiras locomotivas a vapor tiveram que percorrer, em dois aspectos: suavizar as encostas e fortalecer os trilhos. Stephenson conseguiu realizar essas ideias em poucos anos.
Em 1821, Edgar Pease, um dos proprietários da mina de Darlington, fundou uma empresa para construir uma ferrovia de Darlington a Stockton e contratou Stephenson para construí-la. A extensão total da estrada com ramais laterais foi de 56 km. Foi um empreendimento significativo para aqueles tempos, e Stephenson empreendeu entusiasticamente sua implementação. Com grande dificuldade conseguiu convencer Pisa e seus companheiros a instalar trilhos de ferro na metade do comprimento da estrada em vez de trilhos de ferro, embora custassem o dobro. Em 19 de setembro de 1825, o primeiro trem de 34 vagões passou solenemente pela estrada. Seis deles estavam carregados de carvão e farinha, os demais tinham bancos para o público. Todos esses vagões foram puxados por uma nova locomotiva a vapor "Movement", que foi operada pelo próprio Stephenson. Ao som de música e alegres exclamações de passageiros, o trem passou com sucesso para Stockton.
A velocidade média do trem foi de 10 km/h. Na frente da locomotiva, um cavaleiro com uma bandeira galopava, pedindo ao público que soltasse os trilhos. Em alguns trechos, ele teve que correr a toda velocidade, pois o trem acelerou para 24 km/h. No total, mais de 600 passageiros foram transportados neste voo. Juntamente com o restante da carga, esse público pesava cerca de 90 toneladas.
Com a construção bem-sucedida da Darlington-Stockton Road, o nome de Stephenson tornou-se amplamente conhecido. Em 1826, o conselho de administração da Manchester-Liverpool Road Transport Company ofereceu a Stephenson o cargo de engenheiro-chefe com um salário de £ 1000. A construção desta estrada foi de grande dificuldade, pois passava por um terreno muito acidentado. Muitas estruturas artificiais diferentes tiveram que ser erguidas: aterros, escavações, túneis, etc. Algumas pontes foram construídas 63. Sob a própria Liverpool, foi necessário colocar um túnel de 2 km de comprimento no solo rochoso. Então tive que fazer um corte em uma rocha arenosa alta (no total, durante este trabalho, foram retirados 4 mil metros cúbicos de pedra). Particularmente difícil foi a construção de uma tela através dos pântanos de turfa de Chet Moss, com 480 km de largura e 6 m de profundidade. trilhos de ferro. Foi preciso toda a sua eloquência e toda a sua autoridade para provar aos diretores que é assim, e não de outra forma, que as ferrovias devem ser construídas. Finalmente, todos os obstáculos foram superados com sucesso. Em 1829, quando a estrada estava em fase de conclusão e já era preciso pensar em material rodante, a empresa anunciou um concurso gratuito para o melhor projeto de locomotiva. Perto de Rainhill, uma nova seção de 3 km foi alocada. As locomotivas a vapor participantes da competição tiveram que percorrer essa distância 20 vezes. Stephenson exibiu em Rainhill sua nova locomotiva a vapor "Rocket", construída em sua fábrica de acordo com a tecnologia mais recente da época. Em 1826, ele desenvolveu o projeto de uma locomotiva com um cilindro inclinado (pela primeira vez foi testada na locomotiva a vapor "América"). Isso permitiu reduzir o espaço nocivo nos cilindros, o que, com sua disposição vertical, era muito importante. A caldeira a vapor também foi significativamente melhorada, e tubos de fumaça foram usados pela primeira vez, sobre os quais mais deve ser dito. Em geral, a caldeira a vapor era um dos componentes mais importantes da locomotiva a vapor, da qual dependiam amplamente suas características técnicas. Vários requisitos foram impostos a ele: com um pequeno consumo de carvão e água, ele teve que fornecer a maior quantidade possível de vapor elástico. Esse efeito poderia ser alcançado, em primeiro lugar, aumentando a área de contato entre a água e os gases quentes.
As primeiras locomotivas a vapor usavam uma caldeira cilíndrica simples. Aqui D é uma tampa onde o vapor é coletado, conduzido às válvulas de vapor através de um dos tubos B (o outro estava conectado à válvula de segurança). A caldeira tinha uma grelha inclinada R, através da qual o ar atmosférico era fornecido ao carvão derramado pelo funil T. O carvão deslizava pelo funil enquanto queimava, com a combustão mais forte ocorrendo no fundo da grelha; a chama dali subia sob a abóbada inclinada G, onde havia uma abertura b, por onde os gases quentes entravam na primeira chaminé F sob a caldeira. Em seguida, esses gases entraram em ce na chaminé lateral F, e através da conexão d na parte frontal eles passaram novamente ao longo de F para a parte traseira da caldeira, de onde já haviam saído para a chaminé. Assim, a caldeira, por assim dizer, fluía com ar quente de todos os lados. A porta de cinzas K e o amortecedor S eram dispositivos simples com os quais o foguista regulava o fluxo de ar para a fornalha.
A modificação mais simples de uma caldeira cilíndrica era uma caldeira com tubo de chama, na qual a primeira chaminé não passava por baixo da caldeira, mas por dentro dela. O próximo passo foi a caldeira tubular, inventada em 1828 pelo engenheiro francês Seguin. Tubos de fumaça de metal passavam dentro dessa caldeira, através dos quais o gás quente se movia da fornalha para a chaminé. Em uma caldeira tubular, a superfície de aquecimento era muito maior do que em uma cilíndrica. Ao mesmo tempo, uma parte muito maior do calor foi para a vaporização e uma parte relativamente menor voou para a chaminé. No "Rocket" a superfície total de aquecimento da caldeira era de cerca de 13 metros quadrados, dos quais 11 representavam tubos, pelo que, com as mesmas dimensões, a produtividade da caldeira era muito maior.
As competições de Rainhill se tornaram um evento importante na história da locomotiva; acredita-se que eles encerraram o período de sua infância. A competição contou com cerca de 10 mil espectadores, e o melhor de tudo fala do grande interesse do público comum pelo transporte a vapor. As esperanças que Stephenson depositou em sua criação foram plenamente justificadas. 10 de outubro "Rocket", indo vazio, desenvolveu uma velocidade recorde para esses tempos de 48 km / h. Com peso próprio de 4 toneladas, esta locomotiva puxava livremente um trem com peso total de 5 toneladas a uma velocidade de 17 km/h. A velocidade da locomotiva a vapor com um carro de passageiros atingiu 21 km / h. Por todas as medidas, o "Rocket" foi uma ordem de magnitude melhor do que todas as outras locomotivas, e o prêmio de 500 libras foi concedido a Stephenson. Ele compartilhou com seu assistente Booth, que propôs a ideia de uma caldeira tubular (nem Booth nem o próprio Stephenson naquela época sabiam nada sobre a invenção de Seguin). A "Foguete" pode ser considerada uma locomotiva a vapor completamente perfeita, pois possuía todas as características mais importantes das locomotivas posteriores: 1) a fornalha era cercada pela água da caldeira; 2) a caldeira estava localizada horizontalmente e possuía tubos de incêndio; 3) o vapor entrava na chaminé, o que aumentava a tiragem e aumentava a temperatura da fornalha; 4) a potência do vapor era transmitida às rodas através das bielas sem nenhuma engrenagem. No ano seguinte, foi inaugurada a linha Liverpool - Manchester. A construção da estrada exigiu investimentos de capital inéditos na época. O custo total de colocá-lo foi de 739 mil libras. No entanto, a necessidade dessa estrada era tão grande que valeu a pena rapidamente. Esta foi a melhor recomendação para um novo modo de transporte. Alguns anos depois, a construção rápida de ferrovias começou em todo o mundo. A era da locomotiva a vapor havia começado. A importância da estrada Liverpool-Manchester neste processo dificilmente pode ser superestimada - foi o primeiro grande projeto de construção ferroviária tecnicamente correto da história. Muitas das descobertas de Stephenson, relativas à construção de aterros, construção de barragens e túneis, colocação de trilhos e dormentes, etc., mais tarde se tornaram um modelo para outros engenheiros. As mudanças em grande escala causadas pelo uso generalizado de locomotivas a vapor foram tão grandes que se pode dizer sem exagero - elas mudaram a face do mundo. Antes da invenção das ferrovias, as cidades industriais mais importantes ficavam ao longo da costa ou em rios navegáveis. Os navios à vela serviam como o principal meio de transporte. Dentro do país, o transporte de mercadorias era feito em veículos puxados por cavalos, e em todos os países as estradas estavam em péssimas condições. Na ausência de estradas, a indústria não poderia se desenvolver. Muitos territórios que tinham minerais estavam, no entanto, condenados à inatividade. A transição para o transporte a vapor levou a um aumento significativo na velocidade de movimentação e no giro da carga, apesar de o custo do transporte ter diminuído acentuadamente. As áreas mais remotas logo foram conectadas por ferrovias com centros industriais, portos e fontes de matérias-primas, e foram envolvidas no ritmo geral da vida econômica. A distância deixou de ser um obstáculo e a indústria recebeu um poderoso impulso para o seu desenvolvimento. Autor: Ryzhov K.V.
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