تاريخ السكك الحديدية: من المسارات إلى قطارات هايبرلوب

منذ اختراعها ، لعبت السكك الحديدية دورًا كبيرًا في تطوير الحضارات حول العالم. من اليونان القديمة إلى أمريكا الحديثة ، غيرت خطوط السكك الحديدية طريقة سفر البشر وعملهم.

يعود أقدم شكل من أشكال النقل بالسكك الحديدية إلى 600 قبل الميلاد. جعل الإغريق الأخاديد في معبد طرق الحجر الجيري لاستخدامها بالتزامن مع المركبات ذات العجلات ، وتسهيل نقل القوارب عبر برزخ كورنث. ومع ذلك ، عندما غزا الرومان الإغريق عام 146 قبل الميلاد ، سقطت السكك الحديدية المبكرة في حالة خراب واختفت لأكثر من 1400 عام.

لم يعد أول نظام نقل حديث بالسكك الحديدية يعود حتى القرن السادس عشر. حتى ذلك الحين ، ستمر ثلاثمائة سنة أخرى قبل أن يؤدي اختراع قاطرة البخار إلى تحويل النقل بالسكك الحديدية على نطاق عالمي.

ظهرت سلائف القطارات الحديثة لأول مرة في أوائل الخمسينات من القرن الخامس عشر في ألمانيا مع إدخال العربات. تتكون هذه الطرق الحديدية البدائية من سكك خشبية تمكنت العربات أو العربات التي تجرها الخيول من التحرك بسهولة أكبر من الطرق الترابية. بحلول عام 1770 ، تم استبدال القضبان الخشبية بأخرى من الحديد. تطورت هذه العربات إلى خطوط ترام انتشرت في جميع أنحاء أوروبا. في عام 1789 ، صمم الإنجليزي ويليام جيسوب العربات الأولى ذات العجلات ذات الحواف المشقوقة ، مما سمح للعجلات بإمساك السكك الحديدية بشكل أفضل. تم نقل ميزة التصميم المهمة هذه إلى القاطرات اللاحقة.

حتى القرن التاسع عشر ، تم بناء السكك الحديدية من الحديد الزهر. لسوء الحظ ، كان الحديد الزهر عرضة للصدأ وكان هشًا ، غالبًا ما تسبب في فشله تحت الضغط. في عام 1820 ، اخترع جون بيركينشو مادة أكثر متانة تسمى الحديد المطاوع. هذا الابتكار ، على الرغم من أن التحسين على الحديد الزهر كان لا يزال معيبًا ، إلا أنه أصبح المعيار حتى ظهور بسمر مكنت هذه العملية من إنتاج أرخص للصلب في أواخر 1860s ، مما أثار التوسع السريع للسكك الحديدية ليس فقط في جميع أنحاء أمريكا ولكن في جميع أنحاء العالم. في نهاية المطاف ، تم استبدال عملية بسمر باستخدام أفران الموقد المفتوح ، مما أدى إلى مزيد من خفض تكلفة إنتاج الصلب وسمح للقطارات بربط معظم المدن الرئيسية في الولايات المتحدة بحلول نهاية التاسع عشر مئة عام.

مع وضع الأساس لنظام متطور للسكك الحديدية ، كل ما تبقى القيام به هو العثور على يعني نقل المزيد من الناس والمزيد من السلع لمسافات أطول على مدى أقصر من زمن. جاء الجواب في شكل واحد من أكثرها اختراعات مهمة من ثورة صناعية، ال محرك بخاري، وهو أمر حاسم لتطوير السكك الحديدية والقطارات الحديثة.

في عام 1803 ، قرر رجل يدعى صموئيل هومفراي تمويل تطوير مركبة تعمل بالبخار لتحل محل عربات تجرها الخيول على الترام. ريتشارد تريفيثيك صنع تلك المركبة ، أول قاطرة ترام بمحرك بخاري. في 22 فبراير 1804 ، حملت قاطرة حمولة 10 أطنان من الحديد و 70 رجلاً وخمس عربات إضافية التسعة أميال بين مصانع الحديد في Pen-y-Darron في بلدة Merthyr Tydfil ، ويلز ، إلى أسفل Abercynnon الوادي. استغرقت الرحلة حوالي ساعتين لتكتمل.

في عام 1812 ، المخترع الإنجليزي جورج ستيفنسون أصبح مهندس منجم الفحم لخط سكك حديد ستوكتون ودارلينجتون. بحلول عام 1814 ، بنى قاطرته الأولى لهم. بعد فترة وجيزة ، أقنع الملاك بتجربة قاطرة تعمل بالبخار. تم تسمية الجهد الأول باسم الحركة. بينما يُنسب الفضل إلى ستيفنسون كمخترع أول محرك قاطرة بخارية للسكك الحديدية ، يُشار إلى اختراع Trevithick كأول قاطرة ترام.

في عام 1821 ، أصبح الإنجليزي يوليوس جريفيث أول شخص يسجل قاطرة طريق ركاب. بحلول سبتمبر 1825 ، باستخدام قاطرات ستيفنسون ، أطلقت شركة ستوكتون ودارلينجتون للسكك الحديدية أول خط سكة حديد لنقل البضائع والركاب الذين يسافرون في جداول منتظمة. يمكن لهذه القطارات الجديدة سحب ست سيارات فحم محملة و 21 سيارة ركاب بسعة 450 راكبًا على مدى تسعة أميال في حوالي ساعة.

بعد ذلك بوقت قصير ، افتتح ستيفنسون شركته الخاصة المبنية ، روبرت ستيفنسون وشركاه. أشهر نموذج له ، صاروخ ستيفنسون، تم تصميمه وبناؤه لـ Rainhill Trials ، وهو حدث عام 1829 أقامته سكك حديد ليفربول ومانشستر لاختيار أفضل تصميم لتشغيل قاطراتهم الجديدة. ال صاروخ، قاطرة الأكثر تطوراً في يومها ، فازت بسهولة وواصلت وضع المعيار الذي سيتم من خلاله بناء معظم المحركات البخارية خلال الـ 150 سنة القادمة.

يعتبر العقيد جون ستيفنز والد السكك الحديدية في الولايات المتحدة. في عام 1826 ، أظهر ستيفنز جدوى الحركة البخارية على مسار دائري تجريبي تم إنشاؤه في منطقته في هوبوكين ، نيو جيرسي - قبل ثلاث سنوات من إتقان ستيفنسون للقاطرة البخارية العملية إنكلترا.

تم منح ستيفنز أول ميثاق للسكك الحديدية في أمريكا الشمالية في عام 1815 ، لكن الآخرين بدأوا في تلقي المنح وبدأ العمل في أول السكك الحديدية التشغيلية بعد ذلك بوقت قصير. في عام 1930 ، بيتر كوبر صمم وبنى أول قاطرة بخارية أمريكية الصنع ابهام توم، ليتم تشغيلها على خط سكة حديد مشترك.

آخر ابتكار قطار رئيسي في القرن التاسع عشر لم يكن له أي علاقة بالدفع أو إمدادات الطاقة. بدلا من ذلك ، كان كل شيء عن راحة الركاب. جورج بولمان اخترع سيارة النوم بولمان في عام 1857. على الرغم من أن السيارات النائمة كانت مستخدمة في السكك الحديدية الأمريكية منذ ثلاثينيات القرن التاسع عشر ، كانت سيارة بولمان صمم خصيصا لسفر الركاب بين عشية وضحاها واعتبر تحسنا ملحوظا على سلف.

في حين كان للقاطرات التي تعمل بالبخار تأثير لا يمكن إنكاره على النقل والتوسع الاقتصادي على مدار 19^العاشر القرن ، لم تكن التكنولوجيا بدون عيوبها. كان الدخان الذي نتج عن حرق الفحم ومصادر الوقود الأخرى من أكثر المشاكل إشكالية.

في حين أن المنتجات الثانوية الضارة كانت مقبولة في الريف المفتوح ، حتى في وقت مبكر ، أصبحت المخاطر الناتجة عن عادم الوقود أكثر وضوحًا تجاوزت السكك الحديدية مناطق أكثر سكانًا ، الأمر الذي استلزم بدوره عددًا متزايدًا من الأنفاق تحت الأرض لاستيعاب القطارات المتجهة إلى المناطق الحضرية الأماكن. في حالة النفق ، يمكن أن يتحول الدخان إلى مميت ، خاصة إذا توقف القطار تحت الأرض. بدت القطارات التي تعمل بالكهرباء بديلاً واضحًا لكن تقنية القطار الكهربائي المبكر لم تستطع مواكبة البخار لمسافات طويلة.

تم بناء أول نموذج أولي لقاطرة كهربائية في عام 1837 بواسطة الكيميائي الاسكتلندي روبرت ديفيدسون ، الذي يعمل بواسطة خلايا البطارية الجلفانية. قاطرة ديفيدسون التالية ، نسخة أكبر تسمى جالفانيظهرت لأول مرة في معرض الجمعية الملكية الاسكتلندية للفنون عام 1841. كان يزن سبعة أطنان ، ولديه محركان ممانعان للدفع المباشر يستخدمان مغناطيسات كهربائية ثابتة تعمل على قضبان حديدية ملحقة بأسطوانات خشبية على كل محور. بينما تم اختباره على خط سكك حديد ادنبره وجلاسكو في سبتمبر عام 1841 ، أعاقت الطاقة المحدودة لبطارياتها المشروع. ال جالفاني تم تدميرها لاحقًا من قبل عمال السكك الحديدية الذين اعتبروا التكنولوجيا البديلة تهديدًا محتملاً لسبل عيشهم.

من بنات أفكار Werner von Siemens ، أول قطار ركاب كهربائي ، يتكون من قاطرة وثلاث سيارات ، تم تشغيله لأول مرة في عام 1879 في برلين. كان القطار بسرعة قصوى تزيد قليلاً عن ثمانية أميال في الساعة (13 كم). وعلى مدار أربعة أشهر ، نقلت 90 ألف راكب على مسار دائري بطول 984 قدم (300 متر). تم تزويد التيار المباشر للقطار بجهد 150 فولت عبر حاجز ثالث معزول.

بدأت خطوط الترام الكهربائية تكتسب شعبية ، أولاً في أوروبا ولاحقًا في الولايات المتحدة ، بعد ظهورها لأول مرة في عام 1881 في Lichterfelde خارج برلين ، ألمانيا. بحلول عام 1883 ، كان الترام الكهربائي يعمل في برايتون ، إنجلترا والترام الذي أطلق الخدمة بالقرب من فيينا ، النمسا ، في نفس العام كان الأول في الخدمة العادية التي يتم تشغيلها بواسطة خط علوي. بعد خمس سنوات ، تم تصميم العربات الكهربائية بواسطة Frank J. Sprague (المخترع الذي عمل سابقًا لتوماس إديسون) ذهب إلى المسارات لقطار ريتشموند يونيون للركاب.

تم إطلاق أول خط سكة حديد كهربائي تحت الأرض من قبل سكك حديد المدينة وجنوب لندن في عام 1890. بعد خمس سنوات ، توصل Sprague إلى نظام التحكم في الجر متعدد الوحدات المتغير في اللعبة للقطارات. تم تجهيز كل سيارة بمحرك جر ومرحلات يتم التحكم فيها بمحرك. استمدت جميع السيارات القوة من مقدمة القطار وعملت محركات الجر في انسجام. حصلت MUs على أول تثبيت عملي لها للسكك الحديدية المرتفعة من الجانب الجنوبي (الآن جزء من Chicago L) في عام 1897. مع نجاح اختراع Sprague ، سرعان ما استحوذت الكهرباء على أنها مصدر الطاقة المفضل لمترو الأنفاق.

في عام 1895 ، أصبح امتداد أربعة أميال من خط حزام بالتيمور لخط سكك حديد بالتيمور وأوهايو (B&O) المتصل بنيويورك هو أول خط سكك حديد رئيسي أمريكي يتم كهربة. سحبت القاطرات البخارية إلى الطرف الجنوبي من الخط المكهرب ، ثم اقترنوا بقطارات تعمل بالطاقة الكهربائية وسحبوا عبر الأنفاق التي أحاطت بالتيمور.

كانت مدينة نيويورك واحدة من أوائل المدن التي حظرت المحركات البخارية من أنفاق قطاراتها. في أعقاب تصادم نفق بارك أفينيو عام 1902 ، تم حظر استخدام القاطرات المولدة للدخان جنوب نهر هارلم. بدأت سكك حديد نيويورك المركزية باستخدام القاطرات الكهربائية بحلول عام 1904. ابتداءً من عام 1915 ، خدمت شيكاغو وميلووكي وسانت بول وسكك حديد المحيط الهادئ الخدمة عبر جبال روكي وإلى الساحل الغربي. بحلول ثلاثينيات القرن العشرين ، كانت سكك حديد بنسلفانيا قد كهربت أراضيها بالكامل شرق هاريسبورغ ، بنسلفانيا.

مع ظهور القطارات التي تعمل بالديزل في الثلاثينيات والعقود التالية ، تباطأ توسيع البنية التحتية للقطارات التي تعمل بالطاقة الكهربائية. في نهاية المطاف ، ومع ذلك ، سيتم دمج الديزل والطاقة الكهربائية لإنشاء عدة أجيال من الديزل الكهربائي والهجينة التي استخدمت أفضل التقنيات ، وستستمر لتصبح المعيار للعديد من خطوط السكك الحديدية خطوط.

في الستينيات وأوائل السبعينيات ، كان هناك اهتمام كبير بإمكانية بناء قطارات ركاب يمكنها السفر بشكل أسرع بكثير من القطارات التقليدية. من 1970s ، الاهتمام بتكنولوجيا بديلة عالية السرعة تتركز على الإرتفاع المغناطيسي ، أو ماجليف، حيث تركب السيارات على وسادة هوائية ناتجة عن التفاعل الكهرومغناطيسي بين جهاز على متن الطائرة وجهاز آخر مضمن في التوجيه الخاص به.

تم تشغيل أول قطار فائق السرعة بين طوكيو وأوساكا في اليابان وافتتح في عام 1964. ومنذ ذلك الحين ، تم بناء العديد من هذه الأنظمة حول العالم ، بما في ذلك في إسبانيا وفرنسا وألمانيا وإيطاليا والدول الاسكندنافية وبلجيكا وكوريا الجنوبية والصين والمملكة المتحدة وتايوان. كما ناقشت الولايات المتحدة أيضًا تركيب خط سكة حديد عالي السرعة بين سان فرانسيسكو ولوس أنجلوس وعلى الساحل الشرقي بين بوسطن وواشنطن العاصمة.

ومنذ ذلك الحين ، سمحت المحركات الكهربائية والتقدم في تقنيات نقل القطارات للبشر بالسفر بسرعة تصل إلى 320 ميلاً في الساعة. المزيد من التطورات في هذه الآلات في مراحل التطوير ، بما في ذلك قطار الأنبوب Hyperloop ، من المتوقع أن تصل إلى سرعات قريبة من 700 ميل في الساعة ، والتي أكملت أول اختبار أولي ناجح لها 2017.