Сидней Уитингтон - История инженерного дела. Важнейшие технические достижения с древних времен до ХХ столетия

Проблема удержания вагонов на рельсах, таким образом, была решена до того, как ее поставило появление локомотивов. Сначала это был простой зубец под вагоном, двигавшийся в траншее между рельсами. Это приспособление можно видеть в De re metallica Агриколы на шахтерской тележке 1556 года. Система использовалась до 1870-х годов для конки в Женеве, Швейцария. Когда именно появилось колесо с ребордой, в точности не известно, но идея созрела в 1730-х годах. Тележка Ральфа Аллена имела реборды на чугунных колесах. Они плотно прилегали к деревянному рельсу. Были испытаны реборды и на самих рельсах, как с внутренней части, так и снаружи, но не нашли широкого применения.

О происхождении железнодорожных шпал нам известно не больше, чем о происхождении колеса и оси. Шпалы, определенно, являются не такими древними, однако поперечные связи на мостах, рамных опорах разного рода и других деревянных конструкциях широко использовались со времен Цезаря. На ранних железных дорогах применялись крестовины. Использование массивных каменных блоков для поддержки рельсов без крестовин, которое вошло в моду вместе с первыми локомотивными двигателями, на самом деле было неудачным отходом от проверенного приспособления. Шпалы лучше предохраняли рельсы от раздвижки, они также намного лучше обеспечивали устойчивость. К 1838 году Николас Вуд, коллега Стефенсона, особенно настаивал на установке шпал там, где земля подвергалась оседанию. Жесткий камень, стальные или бетонные опоры часто используются сегодня на терминалах и погрузочных платформах, где необходима устойчивость, а скорость не принимается во внимание, но подобные опоры являются несжимаемыми и потому не подходят для высокоскоростных железных дорог. Даже самый прочный и устойчивый железнодорожный путь должен обладать некоторой степенью эластичности, иначе подвижной состав будет повреждаться от ударов. Поездам, как и лошадям, нужна небольшая упругость дороги, по которой они следуют.

По вопросу ширины железнодорожной колеи в 1840-х и 1850-х годах в Британии разгорелась настоящая война между Стефенсонами и Изамбардом К. Брюнелем, строителем Великой Западной железной дороги к порту Бристоль. Стефенсоны считали, что в будущем все железные дороги Британии войдут в единую систему. Брюнель мечтал о региональных группах, действительно вскоре появившихся, колея которых могла изменяться в зависимости от местных условий. Он грезил о более широкой колее, мощных двигателях и тяжелых поездах – таким он видел транспорт будущего. Стефенсоны строили для Брюнеля локомотивы с 7-футовой колеей, как он требовал, но сами предпочитали сохранять расстояние между рельсами 4 фута 8½ дюйма – такова была традиционная колесная база тележек. Представляется, что именно их двигатели сделали эту ширину стандартной. Испытывали разные размеры колеи, от 2 до 7 футов. За меньшую ширину выступали сторонники экономии, за большую – сторонники высоких производственных возможностей. Были построены сотни миль железнодорожных путей, имеющих разную колею, но все они со временем были заменены на стандартную. На железной дороге Эри в Соединенных Штатах, к примеру, до 1878 года использовалась 6-футовая колея, однако там больше занимались финансовыми манипуляциями, а не инженерией. Отличные локомотивы Стефенсона, имеющие стандартную колею, одержали верх в Америке. Желательность одинаковой колеи стала очевидной с появлением перевозок между городами, штатами и государствами. Только сугубо местные компании могли позволить себе иметь одну колею при въезде в город, а другую – в прочих местах. Когда колея Стефенсонов стала стандартной, было уже слишком поздно возражать. Ширина колеи древних тележек, составлявшая около 5 дюймов, стала стандартной для их преемников, что, вероятно, безмерно удивило бы древних владельцев.

Есть несколько малоправдоподобных теорий относительно происхождения колеи шириной 4 фута 8½ дюйма, и, между прочим, споры до сих пор продолжаются. Испанцы, к примеру, придерживаются колеи 5 футов 6 дюймов, ирландцы – 5 футов 3 дюйма, русские – 5 футов. Во всем мире есть множество как узкоколеек, так и дорог с более широкими колеями.

Рельсы тоже изменились, отвечая требованиям появившихся локомотивов. Деревянные трамвайные пути были покрыты полосками железа. Хотя они часто ломались, их продолжали использовать, в первую очередь в Америке, еще много лет после того, как в Британии были приняты железные рельсы. Рельсы, как и балки, сначала, в 1789 году, изготавливали из чугуна, они имели большее сечение в середине пролета между шпалами, чтобы выдерживать большие нагрузки. Рельс слегка провисал между шпалами, напоминая рыбье брюхо. Их так и назвали – «рыбье брюхо». Джордж Стефенсон посоветовал применять рельсы без подошвы на железной дороге Стоктон – Дарлингтон в 1821 году. Он считал, что такие рельсы будут оптимальными. Руководствуясь законами механики, наибольшая прочность будет достигнута, если увеличивать высоту, а не ширину рельса. Другое усовершенствование – устранить, насколько возможно, избыток металла в районе центра и сконцентрировать его в верхней и нижней частях, где напряжения от сжатия и растяжения наиболее велики. Такие рельсы имели Т-образное поперечное сечение. Но рельсы Стефенсона для железной дороги Стоктон – Дарлингтон были не такими. Они имели прямоугольное поперечное сечение, были сделаны из кованого железа, имели длину 12–15 футов и удельный вес – 28 фунтов на ярд. Они опирались на чугунные опоры – или стулья, которые были вбиты в каменные блоки.

Автором очередного усовершенствования стал американец Роберт Л. Стивенс (1787–1856), сын Джона Стивенса (1749–1838), который прославился разработкой парохода. Р. Стивенс, президент железной дороги Кэмден – Амбой – изначально это была линия для поездок между Нью-Йорком и Филадельфией, позже стала частью Пенсильванской железной дороги, – решил изучить состояние дел с железными дорогами в Британии. Также он тщательно обдумывал материалы и типы рельсов. По прибытии в Англию он разместил в одной из фирм Южного Уэльса заказ на рельсы с Т-образным сечением. Они были из кованого железа, длиной 18 футов и весом 36 фунтов на ярд.

Эксперименты с разнообразными поперечными сечениями на паровых железных дорогах прекратились в Америке только в 1840-х годах, когда началось массовое производство рельсов. Таким образом, Роберт Стивенс сумел выбрать тип рельса, который используется и сегодня на американских дорогах. Размер рельса увеличился. Некоторые рельсы сегодня имеют высоту 7½ дюйма над основанием шириной 6½ дюйма, а их вес возрос до 155 фунтов на ярд. Материалом стала сталь, подвергшаяся прокатке и температурной обработке, чтобы увеличить ее прочность и долговечность. Британский тип рельса, придуманный одним из инженеров Стефенсона, Чарльзом Виньолем, является двухголовым, то есть имеет симметричный верх и низ, и опирается на чугунные стулья.