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Come funziona un treno?

15 Dicembre 2018


Come funziona un treno?

> Diritto e Fisco Pubblicato il 15 Dicembre 2018



Il treno è un mezzo di trasporto estremamente versatile: utilizzato in tutto il mondo per il movimento di merci e persone, è un veicolo che in tutta la sua storia ha sempre incuriosito tutti.

Dai treni che venivano assaltati dagli Apache a quelli che trasportavano esploratori e avventurieri da Parigi a Costantinopoli, fino ai lunghissimi convogli che trasportano i loro enormi carichi di legno tra le nevi del Canada e ai fantascientifici treni magnetici, tutti i mezzi ferroviari hanno attraversato le varie epoche storiche prendendo i migliori spunti tecnologici e offrendo le migliori metodologie di trasporto. Sempre all’avanguardia, sono la dimostrazione di come accettare e sfruttare il progresso tecnologico. Ma la domanda che, almeno una volta, ognuno di noi si è posto è: come funziona un treno? Cerchiamo di dare una risposta a questo quesito, indicando le caratteristiche dei vari tipi di locomotiva esistenti.

Un po’ di storia

L’abitudine di preparare due solchi per facilitare il percorso delle ruote risale addirittura al tempo dei Romani, ma i primi binari utilizzati per guidare piccoli carri entrarono in uso nel 1600 all’interno delle miniere. Si trattava, allora, di binari in legno che furono presto sostituiti dai binari in ferro: è per questo motivo che la ferrovia si chiama ancora oggi strada ferrata.

Quando James Watt inventò la macchina a vapore, fece il passo fondamentale per la costruzione delle prime locomotive, macchine in grado di muoversi grazie all’energia del vapore e capaci di trainare pesanti carichi.

La prima locomotiva fu costruita da Richard Trevithick nel 1803 e in quattro ore trascinò per 16 chilometri un convoglio che pesava quasi 25 tonnellate. Il primo treno passeggeri è partito da Stockton, in Inghilterra, nel 1825.

Le principali tappe della storia del treno sono scandite dal passaggio da una forma di energia all’altra per il movimento delle locomotive: prima i treni a vapore, poi le locomotive Diesel, i treni elettrici che sono quelli attualmente in uso, le monorotaie a movimento magnetico e i futuristici treni a levitazione magnetica.

Locomotiva a vapore

Dopo il prototipo di Trevithick, la prima locomotiva che sfruttava la forza del vapore fu la famosa Rocket, realizzata da George Stephenson e dal figlio Robert, che ha costituito la prima, vera locomotiva a vapore, capostipite di tutte le successive.

La sua struttura prevedeva la presenza di una caldaia per bruciare il carbone e di un contenitore per l’acqua che veniva riscaldata. Il vapore così formatosi, convogliato attraverso un meccanismo di distribuzione, veniva immesso alternativamente ai due estremi di un cilindro che come effetto si muoveva avanti e indietro. Tramite le bielle questo movimento veniva trasmesso alle ruote.

Se ti stai chiedendo come fosse possibile regolare la velocità pensa che era sufficiente regolare la quantità di vapore e la corsa dello stantuffo con cui spingere il vapore nel cilindro. La grande difficoltà incontrata nell’uso delle locomotive a vapore era riuscire ad aumentare il loro rendimento, cioè il rapporto tra l’energia ricevuta dal treno e quella derivata dal carbone bruciato, oltre al notevole inquinamento ambientale che provocavano.

Locomotiva Diesel

La locomotiva Diesel, che utilizza appunto motori diesel come propulsori, si è sviluppata in contemporanea con quella elettrica, a partire dai primi anni del Novecento.

I motori diesel non possono trasmettere direttamente la potenza agli assi delle ruote, come accade con l’alimentazione a vapore, ma hanno necessità di ulteriori dispositivi di trasmissione che possono essere di tipo meccanico, meccanico-idraulico e meccanico-elettrico. Negli Stati Uniti questo tipo di locomotore è particolarmente utilizzato per il trasporto di merci.

La scelta di questo tipo di alimentazione è dovuta all’utilizzo su un territorio molto grande e alla sua economicità rispetto al trasporto su gomma. Inoltre, i costi di costruzione di tutte le infrastrutture necessarie per l’uso dell’alimentazione elettrica su distanze così imponenti ma con bassa densità di popolazione sarebbero decisamente troppo elevati.

Locomotiva elettrica

La locomotiva elettrica è molto più leggera rispetto a quella alimentata a diesel, non avendo necessità di avere serbatoi di carburante. I fili ad alta tensione corrono lungo i binari, sopra il treno, e danno corrente al locomotore che la raccoglie tramite il pantografo. Puoi immaginare il pantografo come la presa di corrente del treno: tramite la sua struttura a bracci metallici la corrente viene trasmessa dalla linea aerea di fili ad alta tensione al motore. Al suo interno, sotto l’azione di campi elettromagnetici, viene messo in rotazione un dispositivo, detto appunto rotore, che inizia la propria veloce rotazione, trasferendo poi in modo meccanico tale movimento alle ruote del treno.

Se ti stai chiedendo quale tipo di corrente elettrica sia quella che alimenta un locomotore, devi sapere che, in Italia, fino agli anni 80 del Novecento, la corrente più utilizzata era quella continua, mentre oggi viene usata principalmente quella alternata.

Per chiarire la differenza tra le due, ricorda che la corrente continua (DC per direct current o CC per continuous current) ha un valore che rimane costante nel tempo, così come sempre uguali rimangono il polo positivo e quello negativo. Ad esempio, quando su una batteria vedi scritto 12 V significa che quella batteria fornisce stabilmente un valore fisso di tensione di 12 V.

Nella corrente alternata (AC per alternating current), invece, i poli si alternano periodicamente e in modo progressivo, il suo valore va da un massimo positivo a un massimo negativo; essa è più efficiente di quella continua, consentendo una minor dissipazione, cioè minori perdite durante il percorso.

Naturalmente, perché possa essere messa in funzione una ferrovia con convogli trainati da locomotori elettrici, sono necessari gli investimenti nelle infrastrutture della linea elettrica.

Treni ad alta velocità

Oggi i treni ad alta velocità, come il TGV francese e il Frecciarossa o l’Italo italiani, che combinano comfort e velocità, rendono il viaggio in treno una possibile alternativa al viaggio in aereo. L’alimentazione di questi treni elettrici è data da una linea aerea a corrente alternata di 25.000 volt. Per fare un confronto, pensa che tutti i tuoi elettrodomestici funzionano a 220 volt. La velocità massima che i treni ad alta velocità possono raggiungere, impensabile fino a relativamente pochi anni fa, è di circa 320 km/h.

Una direttiva dell’UE [1] indica che, affinché una ferrovia possa essere definita ad alta velocità, essa deve possedere alcuni requisiti di base: i binari devono essere o costruiti appositamente o rinnovati in modo da essere adeguati, le velocità raggiunte devono essere minimo 250 km/h in caso si tratti di infrastrutture di nuova costruzione e di 200 km/h in caso di binari sottoposti a revisione.

I treni più innovativi

Un nuovo traguardo raggiunto, almeno con alcuni prototipi, è la levitazione magnetica. Questo termine che ricorda un po’ la magia non ti deve far pensare a chissà quali trucchi: si tratta dell’ennesima applicazione della tecnologia alla realizzazione di treni sempre più veloci e rispettosi dell’ambiente. Consiste nella sospensione di un oggetto, come un treno, su un altro, i binari, con il solo supporto di un campo magnetico la cui forza è in grado di bilanciare la forza di gravità.

Non essendoci nessun tipo di attrito, tranne quello con l’aria, è sufficiente adottare una forma particolarmente aerodinamica per riuscire ad ottenere velocità veramente notevoli.

Il treno a levitazione magnetica più famoso al mondo è il convoglio cinese Maglev che raggiunge una velocità di punta superiore ai 500 km/h.

L’altra caratteristica che colpisce osservando un treno a levitazione magnetica è il silenzio: un punto in più per un mezzo di trasporto che attraversa anche zone abitate. Inoltre, non produce gas di scarico e non emette sostanze inquinanti. Se ti stai chiedendo quale sia la situazione in Italia devi sapere che i ricercatori della Scuola Sant’Anna di Pisa stanno portando avanti un progetto molto interessante e innovativo: un treno a levitazione, di cui ci potrà essere il primo prototipo nel 2020, realizzato con materiali particolari che consentiranno un consumo minimo di energia, l’IronLev.

Un tipo particolare di treno a levitazione è quello progettato dall’americano Elon Musk, fondatore di Tesla e di SpaceX, che ha pensato di realizzare dei tunnel interrati privi di aria in modo da far viaggiare il proprio Hyperloop magnetico senza che sia rallentato dall’attrito. Il milionario ha dichiarato che il primo tunnel di prova verrà inaugurato a Los Angeles nel dicembre 2018 e che, per il momento, è prevista una velocità di circa 250 km/h, ma che prevede di arrivare ai circa 1200 km/h.

Particolari tipi di treno  

Un particolare tipo di treno è costituito dalla metropolitana, un servizio di trasporto urbano che dal punto di vista tecnico è una ferrovia, in genere sotterranea, ma che può essere anche a livello del suolo o sopraelevata su strutture in ferro o in calcestruzzo. Effettua corse molto frequenti tra punti particolarmente affollati in modo da semplificare il caotico traffico delle metropoli.

La prima metropolitana al mondo è stata The Tube, quella di Londra, inaugurata nel 1863.

Dopo essere stata a vapore fino al 1890, in quell’anno, venne trasformata in linea elettrificata. In quasi tutte le linee metropolitane, specialmente in quelle sotterranee, la corrente è data dalla terza rotaia o tramite linee aeree se c’è spazio sufficiente nel tunnel.

Oltre la locomotiva

La locomotiva, sia essa a vapore, diesel, elettrica o a levitazione magnetica, ha il compito di tirarsi dietro una serie di vagoni. Possono essere carri per il trasporto di merci o carrozze passeggeri. In quest’ultimo caso la loro struttura e conformazione dipendono soprattutto dalla tratta che devono percorrere: i treni con grande numero di passeggeri per percorsi brevi, come quelli usati abitualmente dai pendolari per recarsi a scuola o al lavoro, sono in genere capienti, anche se spesso poco confortevoli.

Le carrozze dei treni che effettuano percorsi più lunghi e quelli dell’alta velocità offrono un comfort maggiore con sedili più comodi e aria condizionata e vagoni dedicati alla ristorazione e al riposo.

note

[1] Direttiva 96/48/CE del 23 luglio 1996.


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