Da “SAPERE” – Ulrico Hoepli Editore
Anno VI - Volume XI - n. 1/121
15 gennaio 1940 - XVIII

RECENTI PERFEZIONAMENTI DELLE LOCOMOTIVE
di Angelo Montani

La grande trasformazione che, per l'occhio del profano, ha subito la locomotiva ferroviaria in poco più di cento anni di esistenza, si è limitata in effetto ad attenuare o togliere le imperfezioni delle macchine primitive, nelle quali erano già applicati i quattro requisiti fondamentali di ogni locomotiva, cioè: principio della massima aderenza rendendo motrici più coppie di ruote, caldaia tubolare per aumentare la superficie di riscaldamento, tiraggio forzato mediante l'espansione del vapore di scarico e il «glifo», meccanismo principale per regolare la velocità in rapporto allo sforzo. Tutte le trasformazioni hanno lasciato intatto lo schema originale del quale però hanno aumentato il rendimento.

La locomotiva a vapore è una macchina «alternativa », una macchina a cui la potenza viene applicata in maniera discontinua. Molti lettori avranno imparato nel corso di fisica un principio detto «secondo principio della termodinamica» o «principio di Carnot», il quale riferito in parole piane afferma che per ottenere un lavoro (Lavoro = Forza X Spazio) da una macchina termica è necessario disporre di una sorgente di calore ad alta temperatura per fornirlo alla macchina e di una sorgente di calore a temperatura più bassa per togliere il calore fornito: sappiamo infatti che il calore passa da un corpo a temperatura più alta ad un corpo a temperatura più bassa e non viceversa. Questo fenomeno conosciuto da tutti e in tutti i tempi, è stato spiegato solamente negli ultimi anni con la moderna fisica statistica.

Un esempio illustrerà meglio quanto detto.

Nella camera di un cilindro (fig. 2) si trova il pistone in posizione a: tra il pistone e la testa del cilindro sta un aeriforme (aria, gas, vapore acqueo) la cui pressione è eguale a quella dell'aria esterna di modo che il pistone non è sollecitato a muoversi in nessuna direzione. Se noi riscaldiamo questo aeriforme mettendolo in contatto con una sorgente di calore a temperatura superiore, esso si dilata e la nuova posizione di equilibrio viene raggiunta dal pistone in posizione b. Avendo riscaldato l'aeriforme la velocità media delle sue molecole è stata accelerata, si è generata una forza (Forza = massa X accelerazione) che applicata per lo spazio percorso dal pistone ha prodotto il lavoro. A questo punto è necessario per ottenere un nuovo lavoro ricondurre l'aeriforme nelle condizioni precedenti, ciò si ottiene raffreddando l'aeriforme mettendolo in contatto con una sorgente a temperatura inferiore come l'aria esterna (locomotiva) o il condensatore (macchina fissa) dove la bassa temperatura ricondensa il vapore di scarico.

Riflettendo sopra questo semplice schema si arriva a comprendere come la potenza applicata attraverso le bielle all'albero a gomito sia variabile in quanto che essa è direttamente dipendente dalle «alternanze» di espansione e condensazione del vapore nell'interno del cilindro. La velocità con cui si muove il pistone è variabile da zero, alla fine della corsa, ad un massimo raggiunto verso la metà della camera di espansione. Per attenuare questo inconveniente si accoppia sullo stesso albero a gomito un altro cilindro il cui pistone si trova a metà corsa quando l'altro pistone è ad una delle estremità. Si ottiene così un moto più uniforme, ed è questa disposizione che finora troviamo nel 95% delle locomotive ferroviarie le quali con i due cilindri direttamente applicati sulle ruote motrici, hanno quattro variazioni del momento motore ogni giro di ruota. Si comprende facilmente come aumentando il numero degli impulsi motori per ogni giro si ottenga una marcia più regolare specialmente a velocità ridotte e una ripresa più rapida. Tutti conoscono come è «morbida» la marcia di un automobile multicilindrica e con quale rapidità ubbidisca alle «variazioni del gas».

Per aumentare la potenza di una macchina a vapore è necessario aumentare la pressione del vapore e il diametro dei cilindri. Se alla prima condizione si è proceduto con particolari costruzioni, non egualmente si può con la seconda poiché l'aumentata inerzia delle masse - pistoni, bielle - rende impossibile l'applicazione di un rapido moto alternativo che per le vibrazioni introdotte frantumerebbe i congegni medesimi. La sola macchina a vapore veloce è la turbina nella quale il momento motore è costante in quanto che il vapore è costantemente dato più caldo e tolto più freddo col proposito di trarre vantaggio dalla continua condensazione del vapore. La turbina venne infatti applicata sulle navi in sostituzione delle antiche macchine alternative allo scopo di aumentare la velocità: essendo costante l'applicazione della forza è costante il moto generato che risulta pure privo di vibrazioni parassitarie.

Sulle locomotive l'applicazione della turbina presenta molte difficoltà: per aumentare la potenza della .locomotiva alternativa fu ideato il sistema «compound» dove il vapore di scarico dei primi cilindri (alta pressione) viene inviato in altri cilindri (bassa pressione) ad espandersi una seconda volta.

Negli Stati Uniti è molto in uso il sistema Mallet (fig. 1) in cui due cilindri azionano un certo numero di coppie di ruote e altri due cilindri le altre coppie: sono insomma due macchine alimentate dalla stessa caldaia. Queste macchine hanno delle potenze enormi (intorno ai 5000-6000 cavalli) e trascinano treni di merci di cento carri con carichi di 6000-8000 tonnellate. Sempre le stesse locomotive con forma aerodinamica vengono adibite alla trazione dei treni passeggeri velocissimi.

Una locomotiva che segna un effettivo distacco dallo schema classico è stata costruita in questi ultimi mesi dalla più antica società ferroviaria degli Stati Uniti; questa nuova locomotiva desta un giustificato interesse in quanto possiede ben sedici cilindri.

La fig. 3 mostra lo schema della sezione longitudinale e trasversa del nuovo modello: le ruote motrici sono quattro paia, ciascun paio è azionato da un proprio motore a quattro cilindri disposti tra loro ad angolo retto (disposizione a V) in modo da ottenere le singole variazioni del momento motore. Ciascuna unità motrice di quattro cilindri produce otto impulsi motori, ed essendo ogni unità anticipata o posticipata rispetto alle altre di un quarto di giro, risulta che per ogni giro completo (ciclo) gli impulsi sommano a trentadue. Sopra. i quattro alberi motori non sono fissate le coppie di ruote motrici: queste ultime vengono attivate attraverso una riduzione ad ingranaggi, il cui rapporto è 19/55, di modo che per ogni completo giro di ruota si hanno oltre 92 impulsi. La riduzione ad ingranaggi è stata possibile dato il gran numero degli impulsi sommati dei quattro motori; grazie a questa riduzione la costanza del momento motore è paragonabile a quella dei motori elettrici. Essendo quattro le unità di potenza esse possono essere più piccole e quindi più veloci senza diminuire la potenza in cavalli: la perdita subita nella riduzione è trascurabile, oggi infatti si costruiscono ingranaggi cosi perfetti che il loro fattore di rendimento è 0,99; inoltre la riduzione permette dì stabilire il miglior rapporto tra gli sforzi medi e la velocità che sarà richiesta alla locomotiva. Altro vantaggio del nuovo modello è l'abolizione delle bielle di accoppiamento e relativi contrappesi che talvolta sono fonti di guasti specialmente alle alte velocità; ogni coppia di ruote essendo indipendente può scivolare più facilmente lungo le curve del binario da cui risulta una migliore inscrizione nelle curve.

Questa nuova locomotiva, pur essendo a vapore, possiede dal punto di vista cinematico e dinamico tutti i vantaggi che già in Italia hanno dimostrato le locomotive a corrente continua.

La interessante locomotiva a sedici cilindri è «streamlined» come dicono gli americani; la sua potenza è di 5000 cavalli e trascina 14 carrozze Pullmann alla velocità di 160 chilometri orari.