Storia della locomotiva a vapore (parte 1) – dal concorso di Rainhill al carrello Zara

Alcune settimane fa vi abbiamo raccontato come sono nate le trazioni elettrica e diesel, dalle prime locomotive trifase della Valtellina a quelle specie di autobus su rotaie che erano le ALn/ALb56. Fu un’epoca pionieristica che oggi ha certamente il suo fascino, ma non ci dobbiamo dimenticare che prima del primo uomo sulla Luna un altro uomo ha volato con un aereo; ed è con questo spirito che desideriamo raccontarvi l’epopea delle locomotive a vapore. Lente (con eccezioni), poco potenti (a volte), dal rendimento termodinamico infimo (sempre) e bisognose di mille attenzioni, senza di quelle però non sarebbero mai nati il Frecciarossa 1000 o lo Shinkansen.

Le rotaie nel 1803 non erano una novità. Esistevano delle ferrovie dove era d’uso comune la trazione animale per le tratte orizzontali, la funicolare per le salite e la forza di gravità per le discese. Non era una novità neanche il motore a vapore, che però doveva ancora comparire sulle navi, figuriamoci sui binari; era ancora troppo ingombrante e soprattutto pericoloso. Solo un folle avrebbe pensato di montare una moka Bialetti su un carretto da miniera. Anche perché la moka non era ancora stata inventata.

Quel folle si chiamava non Robert Stephenson come forse qualcuno di voi potrà pensare, ma Richard Trevithick. Quest’ultimo pensò bene di montare su un carrello della spesa una pompa a vapore di quelle per estrarre acqua dalle miniere, una pentola a pressione AMC ereditata da sua nonna a mo’ di caldaia, un grosso volano e un camino. L’accrocco, nero come la morte e brutto come la fame, pesava 50 quintali, quanto un Daily da patente C, un numero ridicolo; si muoveva a circa 4 km/h e andava guidato seguendolo a piedi, tipo motofalciatrice BCS.

La lattina il 21 febbraio 1804 trainò a testa bassa un convoglio da 10 tonnellate di ferro con sopra una sessantina di coraggiosi passeggeri: i 16 km furono percorsi in 4 ore e 5 minuti, devastando le rotaie in ghisa su cui era stato posto per il troppo peso. James Watt, pare, fece pressioni in Parlamento perché facessero una legge che impedisse i suoi esperimenti e Trevithick, che era molto più simile a un inventore che a un ingegnere, si scazzò in fretta.

Ma intanto la sua invenzione destò curiosità e in diversi tentarono di replicarla e migliorarla; uno emerse su tutti e quale occasione migliore per farlo se non in un concorso?

Mentre qualche teiera con le ruote già circolava al servizio di corte linee merci o minerarie, il governo inglese organizzò questa piccola sfida a Rainhill nel 1829, dove già esisteva una ferrovia del genere. Gli sfidanti avrebbero dovuto costruire una locomotiva con queste caratteristiche:

• peso inferiore a 6 tonnellate;
• lunghezza inferiore a 4,57 metri (vabbè poi vai a capire che unità di misura avranno usato loro);
• sospensione su molle;
• forza motrice ottenute dal solo vapore;
• capacità di traino pari al triplo del peso della macchina;
• percorrenza di 70 miglia, ovvero 112 km, in più tratte senza guasti;
• costo inferiore a 550 sterline.

II vincitore avrebbe ottenuto oltre che una commessa per delle locomotive anche l’appalto per la nuova ferrovia Liverpool-Manchester, resasi necessaria dall’enorme traffico di cotone e capi d’abbigliamento tra il porto della prima e le industrie della seconda.

Che ci crediate o no, per ridicole che sembrano le richieste del concorso, tutte le macchine che si presentarono riuscirono a non rispettare le specifiche, compresa quella della trazione a vapore: si presentò infatti la Cyclops che, pare, fosse un gabbiotto con due cavalli dentro (ecologica, almeno). La veloce Novelty rimase per strada a causa di un guasto a un giunto di trasmissione. La Sans Pareil fu ammessa, ma era sovrappeso. La Perseverance si guastò ancora prima di arrivare alla linea di partenza. Tutte tranne una: la Rocket, disegnata dagli unici due che sembravano capirci qualcosa.

George e Robert Stephenson progettarono quella che in effetti può essere considerata la prima locomotiva a vapore di concezione “industriale”. Definì alcuni standard comuni alle Big-Boy da 550 tonnellate o alle A4 inglesi da 200 km/h. E per capire come funziona una cosa bisogna smontarla giusto? Bene, armiamoci di opportuna attrezzatura e smontiamo questa piccola locomotiva inglese.

Per prima cosa, misuriamo la distanza fra i bordi interni delle ruote. Scopriamo che è la stessa dei treni moderni: 4 piedi e 8,5 pollici, pari a 1435 mm. L’adozione di un numero così balordo è da ricercare nella misura simile delle carreggiate dei carri di allora. Pur non esistendo alcuna convenzione in merito, dal momento che negli anni le strade si erano riempite di solchi di simile distanza i costruttori di carri cercavano di regolarsi di conseguenza con la misura delle carreggiate. Carreggiate che nella Ford T, guarda caso, misuravano 1422 mm.

Abbiamo poi due grandi ruote motrici sull’anteriore e due portanti dietro, sopra le quali è situata, altra novità, la piattaforma di guida a bordo. Davanti a quest’ultima si trova il focolare; una serie di tubi (25 in questo caso) spediscono i fumi di combustione caldi all’interno della caldaia, un bussolotto cilindrico orizzontale in gran parte pieno d’acqua. Rispetto alle caldaie Cornovaglia diffuse all’epoca differiva appunto per il numero di tubi di fumo, che in queste ultime era uno o due. L’acqua si scalda ed evapora. Sopra la caldaia è presente il duomo, una cupola che raccoglie il vapore che viene spedito ai cilindri alla bisogna. I cilindri di un motore a vapore non sono dissimili da quelli di un motore endotermico; la distribuzione è però gestita da un eccentrico e una serie di leve tali per cui il pistone genera lavoro anche durante la corsa di ritorno verso il punto morto superiore.

La caldaia stessa è molto diversa dai generatori di vapore odierni. La tipica caldaia industriale oggi è del tipo a irraggiamento, ha forma di un parallelepipedo a sviluppo verticale, le pareti interamente tappezzate di tubi e, soprattutto, il bruciatore al centro. In pratica non sono più i fumi che scorrono i tubi, ma l’acqua. Senz’altro un’architettura che disperde meno calore e permette una regolazione continua della temperatura media di combustione e quindi della produzione di vapore.

Un’altra caratteristica saliente della Rocket è lo scarico del vapore espanso attraverso lo stesso fumaiolo dei gas di scarico, il che favorisce in maniera del tutto naturale l’estrazione (in gergo tiraggio) dei fumi del focolare.

Così acchittata, la locomotiva raggiungeva senza troppi problemi i 47 km/h, consumando giusto un terzo del carbone della rivale Sans Pareil; inoltre, non ultimo, fu l’unica ad arrivare intera al traguardo. Chapeau. Per Stephenson significava non solo un appalto per una ferrovia, ma un radioso futuro per la sua industria. Per il treno, il punto di partenza per la posa di decine di migliaia di km di rotaie ovunque.

Ma come si è passati dalla Rocket, che pesava ancora meno del prototipo di Trevithick, alle S1 della Pennsylvania Railroad?

Di per sé non è un passaggio difficile: cresce la domanda, le imprese comprano più carri e più pesanti, servono macchine più potenti. Perfetto. Come si fa a costruirgliela?

Si monta una caldaia più potente. Questo significa anche un focolare più grosso e pesante aumenta la lunghezza della locomotiva e sale anche il carico assiale, che le fragili rotaie di allora mal sopportavano (un metro di rotaia pesava forse dieci chili, mentre le odierne UNI ne devono pesare 60). Dunque, bisogna aggiungere più assi, e qui si apre un mondo.

Si chiama rodiggio in ferrovia quello che è, per dirla alla Rollingsteel, l’insieme delle masse non sospese del rotabile. Ruote, bielle, assi etc. C’è una convenzione per definire il tipo e il numero di assi di una locomotiva a vapore ed è di tre cifre. La prima indica il numero di assi portanti anteriori, la seconda quello di assi motori e la terza quello di assi portanti posteriori. Dunque, la Rocket è una 011. Per riuscire ad allungare caldaia e focolare e al contempo migliorare la stabilità in curva si aggiunse un altro asse portante anteriore: nasce la serie di locomotive Patentee (111), la prima a essere prodotta in numeri importanti e anche su licenza. Problema: in questo modo gravava sulle ruote motrici poco più di un terzo del peso della macchina.

Questo ci porta a dire che gli assi non si possono aggiungere a casaccio. Quindi proviamo a capire pregi e difetti di ogni possibile soluzione:

• un aumento delle ruote portanti anteriori rende la macchina stabile in curva a velocità importanti, ma riduce la massa aderente;
• un aumento delle ruote motrici sembra una cosa auspicabile. Il problema è che non sterzano: sono fissate rigidamente al telaio e collegate tra loro da bielle. Dunque, si va ad aumentare il passo rigido (distanza fra i centri di rotazione degli assi alle estremità), rendendo meno agile la macchina su curve strette. Questo a meno di non incasinarsi la vita con soluzioni complicate come le locomotive articolate Mallet o Garratt. Sono state costruite locomotive merci a bassa velocità anche con schemi come 040 o 050, ma si rendevano necessarie soluzioni come ruote centrali senza bordino o assi alle estremità in grado di traslare;
• un aumento delle ruote posteriori permette di ingrandire il focolare senza allungare il passo rigido. Ma il focolare pesa (tanto) e quindi, daccapo, c’è un problema di massa aderente.

Ogni Paese sviluppòi propri schemi a seconda delle necessità e degli utilizzi, e non entreremo nel merito di ciascuno. In Italia la questione era particolarmente spinosa. Il profilo altimetrico delle nostre linee richiedeva macchine potenti, le curve strette macchine agili; parliamo di ferrovie come quella della Porrettana che non era neanche la peggiore. In alcune stazioni c’era un binario detto di lanciamento dove il treno poteva arretrare per prendere la rincorsa, in modo da affrontare lanciato la galleria in salita successiva a una velocità sufficiente per non piantarsi.

Per la cronaca, la potenza sviluppata da una locomotiva cresce con l’aumentare della velocità, quindi in una salita sotto una “velocità critica” la macchina non ce la fa e ci si ferma; e, ad ogni modo, non era paragonabile a quella di una locomotiva diesel o, più ancora, elettrica odierna. Possiamo immaginare geometria e materiale di cui erano costituiti i coglioni testicoli dei macchinisti che si trovavano a dover partire a manetta sperando che il treno non gli si fermasse in galleria. Nel qual caso la nostra locomotiva si trasformava in un’arma letale. Bello il monossido di carbonio eh?

Fino a fine ‘800 raramente le locomotive italiane si erano spinte oltre i due assi motori. Le due tipologie di carrello utilizzate erano l’americano a due assi e il monoasse Bissel, dal nome del suo inventore tedesco. Questo è di rilievo perché presenta un semplice meccanismo in grado di esercitare una forza opposta a quella centrifuga sul primo asse motore, a vantaggio della stabilità in curva. Gli italiani si ingegnarono e infatti l’ingegner Giuseppe Zara sviluppò quello che è noto oggi come carrello italiano, un’evoluzione del Bissel: si tratta di un carrello a due assi di cui uno portante e uno motore.

A questo punto qualcuno potrebbe prenderci per deficienti e quindi ci teniamo a puntualizzare un po’ di cosette con un micropippone.

L’idea era quella di spostare il centro di rotazione del carrello sul primo asse motore, ad esso solidale. Ovviamente tutto il peso della macchina non può gravare su quest’ultimo, sennò quello portante è dinamicamente inutile: così, è presente un punto d’appoggio un po’ più avanti, che scorre sotto al telaio della locomotiva grazie ad una traversa oscillante in modo che il dolce peso sia più o meno equi partito fra i due assali. Ma allora, direte, l’asse motore in curva ruota su sé stesso: come cavolo facciamo con le bielle che sono rigide?

Semplice: l’asse motore non ruota. E se state pensando daccapo che il vostro (secondo) sito preferito vi stia prendendo per il culo, non temete: abbiano detto che ruota l’asse, mica che si spostano anche le ruote. Questo perché fra gli stessi ci sono due lunette di accoppiamento che consentono un certo gioco sia radiale che angolare fra le due parti. Così mentre l’asse sterza le ruote rimangono dritte ma traslano verso l’interno di un buon paio di centimetri, sufficienti ad accorciare virtualmente il passo rigido.

La tipica locomotiva italiana si ritrova carrello italiano davanti, solitamente tre assi motori (ma il passo rigido come se ne avesse due e mezzo) e eventualmente un asse portante dietro. Questa soluzione divenne praticamente universale nelle italiane e a differenziare la locomotiva per destinazione d’uso era più che altro il diametro delle ruote motrici. Era solo un primo capitolo di una lunga storia, talmente lunga che non basta un articolo per raccontarla tutta, tant’è che vi rimandiamo alla seconda parte, presto su Rollingsteel.it.

Recuperate gli appunti di termodinamica e intanto ordinate Di Brutto vol. 7. Stay tuned.

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