Premiera mondiala absoluta, a conceperii si utilizarii sistemului de transport roata-sina, prevazut cu schimbator de cale (macaz), cu ac si inima, apartine romanului Ion Pop, si a cunoscut o larga raspandire, la minele de la Brad, din Transilvania, in prima jumatate a secolului 16 (1500-1550). La vremea respectiva, Transilvania se afla sub ocupatie maghiara (1500-1526), sau otomana (1526-1550).
Primele „sine” erau realizate din lemn, o macheta a primelor vagonete de mina, folosite la Brad, se afla la muzeul CFR.
Aceasta importanta inventie se extinde apoi in intreg Imperiul Austriac (mai ales dupa 1699, cand austriecii ocupa Transilvania), de aici ajungand in minele de carbune, de la Dale (sudul Marii Britaniei, la vremea respectiva-Anglia).
Inainte de a prezenta evolutia tehnologiilor de executie a suprastructurii cailor ferate, cred ca este necesar sa fac un scurt istoric a materialelor de cale, utilizate de la aparitia primelor sine si pana in prezent. Cu aceasta ocazie vom constata ca sistemul de rulare a vehiculelor pe sina folosit astazi de toate caile ferate din lume, este mult mai vechi decat calea ferata, si isi are originile in exploadarile miniere, fiind intrebuintat cu multe secole in urma, in minele de carbuni din Europa evului mediu.
Primele cai de transport rudimentare au utilizat sina de lemn, si au aparut din necesitatea usurarii transportului carbunelui din abataj pana la locul de depozitare, transport care se efectua cu carucioare impinse manual sau cu carute trase de cai, ruland direct pe pamant, adesea in zone umede. Data si locul aparitiei primelor cai de transport pe sine sunt extrem de controversate. Unii cercetatori britanici atribuie initiativa introducerii primelor sine de lemn mesterilor minieri de la exploadarile carbonifere din regiunea Newcastle, in jurul anului 1670. Altii afirma ca sinele din lemn au fost folosite la minele din Tirol (Austria) inca din 1530 si ca ea a fost adusa in Marea Britanie (Anglia pe atunci) , la inceputul secolului 16, de catre un oarecare Hundington Beaument. Germanii sustin ca sina de lemn a fost utilizata in Germania cu mult timp inainte, si a patruns in Anglia pe la mijlocul secolului 15, prin intermediul minierilor adusi din Boemia, de catre guvernul englez.
Cert este ca prin 1550, cand la minele din Hartz si din regiunea Nurnberg (Germania), se introducea sinele din lemn, acestea erau deja cunoscute in Transilvania. La muzeul tehnic al cailor ferate din Berlin, se gasea in originar, pana in 1940, un panou cu sina din lemn rotund, cu schimbator de cale (macaz) din lemn, cu ace si inima, si un vagonet utilizat in prima jumatate a secolului 16 (1500-1550) la minele de aur „Sfintii Apostoli”, de la Brad, Transilvania.
Despre modul cum se efectuau transporturile pe sina din lemn, redau un pasaj din cartea „Viata lordului Keepernoth”, aparuta in 1896: „transporturile, acest uvragiu, se efectuau pe barne din lemn, drepte, bine cioplite, instalate in lungul drumului, de la mina de carbuni pana in portul de imbarcare. Pe aceste drumuri circulau vagonete pe patru roti, care se rostogoleau pe aceste barne. Cu aceasta dispozitie se inlesnea intratat transportul, incat un singur cal putea tara pana la cinci vagonete, producand astfel un avantaj imens negustorilor”.
Epoca sinelor din metal
Dezvoltarea transportului pe sine, intai in mine, este strans legata de dezvoltarea industriei siderurgice si metalurgice.
Astfel, era normal ca transportul pe sine sa-si inceapa „marsul triumfal in epoca aburului”, in Marea Britanie, tara cu cea mai dezvoltata industrie siderurgica in aceea vreme.
Daca primele sine erau din lemn, ulterior, apar sinele de: fier (1738, introduse de Whitehaven ), fonta (1764, de Frolov, in Altai, generalizate din 1808 ), si, in final, sinele de otel (1767, de Reynold, la minele de carbune din Dale, sudul Angliei, generalizate din 1820).
Sistemul de transport pe sine din lemn este mai intai imbunatatit in 1738 de catre Whitehaven, in Marea Britanie, unde sinele din lemn sunt acoperite de lamele de fonta, pentru a le apara de uzura. Mai tarziu, in 1767, Richard Reynolds, proprietarul minelor de fier si de carbune de la Coalbrookdale, introduce placi groase cu sant pe mijloc, realizate din otel pludat, pe care le prinde cu suruburi pe sinele din lemn, iar in 1770 apar, tot la minele de carbuni din Marea Britanie, primele sine integral metalice, pentru transportul cu vagoneti impinsi manual.
Apoi o serie de inovatori incearca succesiv mai multe tipuri de sina metalica, facand ca aceasta sa ia treptat locul sinei din lemn. Astfel, sina de fonta a britanicului John Curr, aparuta in 1776 avea forma unui cornier metalic, asezat pe longrine si traverse din lemn, sina lui Benjamin Ch. Outram era o bara groasa din fier de sectiune rectangulara, sprijinta la capete pe blocuri din piatra, iar sina lui William Jessop, folosita in 1789 la linia Loughbrorough, este prima sina cu bulb la partea superioara . Aceasta sina avea si un bulb mai mic la partea inferioara, avea inima in forma de burta de peste, si o lungime de „3 picioare” (0,914 m). Ea a determinat o revolutie in constructia bandajului rotilor, care a trebuit sa paraseasca forma de pana atunci, si sa fie prevazut cu o „buza”, pentru a impiedica deraierea de pe „bulbul” sinei. Cu astfel de roti, vagonetul si caruta nu mai puteau circula decat pe sine, devenind, in acest fel, primele vehicule destinate exclusiv transporturilor pe drumurile de fier. Cu timpul, in scopul imbunatatirii rularii rotilor, „bulbul” sinei a fost din ce in ce mai mult latit, capatand forma de ciuperca.
Din 1787 W.Jessop introduce sinele cu ciuperca, in 1811 inginerul Backinsop breveteaza sistemul de cale ferata cu cremaliera, in 1821 Robinson Palmer breveteaza sistemul tip „monorail”, cu cale de rulare aieriana.
Din 1790 caile ferate sunt folosite si la minele din SUA, pentru prima data, in afara Europei.
Experienta dobandita, la constructia de cai ferate miniere (cu tractiune cu cai), va permite trecerea la urmatoarea etapa-constructia de cai ferate pentru transport public, cu tractiune cu cai.
Primele cai ferate publice cu tractiune animala
Prima linie de cale ferata, destinata transportului public de calatori si marfuri, la care tractiunea vagoanelor era realizata cu cai, se deschide in 1795, in Marea Britanie, intre Cardiff si Merthyr. La 25 martie 1807, compania britanica „Oystermouth Railway” deschide serviciile publice feroviare.
Vor urma liniile: Budweis-Kerschbaum (in Austria; prima cale ferata publica din Europa continentala, la 7 septembrie 1827 ), Baltimore-Ohio (in SUA, in 1828), si, cea mai importanta, Saint-Etienne---Lyon (in Franta, in 1828).Importanta deosebita a acestei linii, realizate de fratii Seguin, este ca aici s-a folosit, pentru prima data, trasarea longitudinala a profilului cai ferate, lucrari de infrastructura,pentru sustinerea cai ferate propriu-zise, si „caietul de sarcini”, lucru care a permis inlocuirea ulterioara a tractiunii cu cai cu cea cu aburi, fara alte modificari constructive, la infrastructura si suprastructura cai ferate.
Din acest moment, incepe o noua etapa in dezvoltarea cai ferate-aparitia locomotivelor cu aburi, care vor duce transportul feroviar pe culmile gloriei, in secolul 19.
Primele locomotive cu aburi sunt realizate de britanicii Richard Trevithick si Andrew Vivians, in 1803 si 1804 (denumita „Firefly”), 1805, 1808, apoi de Blackinsop si Murray, in 1811-1814 (cu cremaliera), si, in 1816, 1818 (in, pe atunci, Prusia-actuala Germanie, dar nu sunt puse in circulatie datorita unor defecte constructive). Insa toate aceste locomotive nu depasesc faza experimentarilor.
In fine, Blackett si Hedley realizeaza ample studii, in urma carora ajung la concluzia ca sinele netede permit remorcarea, in conditii optime, a celor mai grele sarcini, cu conditia incarcarii judiciose a osiilor locomotivei. Din acest moment, problema tractiunii cu aburi se simplifica semnificativ.
Primele cai ferate publice cu tractiune cu locomotive (cu aburi)
In acest moment isi face aparitia pe scena istoriei britanicul George Stephenson (1781- ?), considerat adevaratul „parinte” al locomotivelor cu aburi.
In 1814 realizeaza locomotiva „Blucher” (cu cremaliera), iar, 27 septembrie 1825, „Locomotiva nr.1”, construita si condusa de el, inaugureaza prima cale ferata publica din lume, intre Stockton si Darlington (Marea Britanie), in lungime de 53 km. Pe aceasta cale ferata (care a functionat numai pana in 1827), se inaugureaza si primul pod feroviar din lume.
La constructia acestei cai ferate, executata intre 1822-1825, si destinata numai pentru transportul de carbuni, cei 58 km ai traseului au fost executati cu sina din otel pludat, tip „John Birkinshaw”, asemanatoare ca forma, sectiune si lungime cu sina Jessop, dar mai grea, avand 13,89 kg/ml. Sinele erau fixate in scaune de fonta, prinse in blocuri de piatra.
In 1828 Marc Seguin realizeaza cazanul ignitubular, iar, in 1829, George Stephenson, realizeaza accelerarea tirajului.Puterea primelor locomotive cu aburi era de 20-30 cp, dupa 1841 aceasta crescand.
La 16 noiembrie 1830 este inaugurata linia Liverpool-Manchester, pe care a circulat primul tren de calatori din lume, tractat de o locomotiva cu aburi, si pe care s-a construit primul tunel feroviar din lume (lung de 2047 m).
Ecartamentul acestei cai ferate (1435mm ), va fi considerat ecartamentul-standard, adoptat de majoritatea cailor ferate din lume.
S-a folosit un tip de sina asemanator cu cel utilizat la constructia cai ferate Stockton-Darlington, dar mai grea, avand 17,362 kg/ml.
Imediat dupa 1830 apar si sinele cu talpi paralele, cu sectiunea in forma de T, si cu inima de inaltime constanta, care tind sa ia locul sinelor cu inima in forma de burta de peste, datorita enormului avantaj care il aveau fata de acestea, deoarece se puteau executa prin laminare. In 1838 Joseph Lock introduce sina cu dublul cap, care avea bulbi asemanatori la ambele capete ale profilului, si se putea intoarce, cand unul dintre bulbi se uza. Acest tip de sina a fost utilizat multa vreme de administratiile feroviare din Marea Britanie si Franta. Prezenta insa dezavantajul unei prinderi complicate si nesigure a sinelor de traversele din lemn (care incepusera deja sa se impuna drept reazeme ideale pentru sine).
Ultima perfectionare, sina cu talpa lata, inventata in 1832 de inginerul american Robert Stevens, si adusa dupa 1835 in Europa, cu unele imbunatatiri, de catre francezul Carol Vignole, avea un profil foarte asemanator cu sinele de astazi. Datorita multiplelor ei avantaje (laminare usoara, prindere simpla si sigura pe traverse, cost redus, intretinere usoara si ieftina), acest tip de sina, cunoscut sub numele de „sina Vignole”, a cunoscut o foarte mare raspandire, fiind adoptata treptat de toate administratiile feroviare din lume. Imbunatatirile succesive ulterioare ale sinei „Vignole” s-au referit numai la ameliorarea calitatii otelului si la sporirea sectiunii si a greutatii profilului, corelata cu cresterea vitezei de circulatie a trenurilor, a sarcinilor pe osie si a densitatii traficului feroviar. Cu aceste imbunatatiri, sinele tip „Vignole” s-au mentinut pana in zilele noastre, fiind utilizata, cu diversele ei profiluri, intre 17-74 kg/ml, la alcatuirea tuturor liniilor ferate normale, inguste si largi.
Dintre celelalte elemente constitutive a cai, ne oprim putin asupra traverselor de cale ferata, care au influientat decisiv evolutia solutiilor constructive si tehnologiile de executie a lucrarilor de suprastructura feroviara.
Traversele, aparute o data cu sinele de lemn, ca reazem pentru acestea, la inceput erau confectionate tot din lemn, de regula din fag sau de alte esente tari (stejar, gorun sau tufan) si aveau sectiunea semirotunda, trapezoidala sau dreptunghiulara. Mai tarziu, prin trecerea de la sinele din lemn la sinele metalice, traversele nu au suferit modificari de alcatuire sau de forma geometrica, diversificandu-se doar dimensiunile precum si esentele de lemn din care erau confectionate, prin adoptarea unor specii mai slabe si mai ieftine de lemn: pin, cedru, castan nobil, zada, brad alb, fag, si altele, care insa aveau o durata de viata redusa (3-4 ani in cazul traverselor de brad, fata de 6-8 ani la traversele de fag).
Pentru prelungirea duratei de serviciul a traverselor, in special al celor din esente slabe de lemn, a fost initiata, prin anii 1850-1860, un procedeu de impregnare cu substante fungicide minerale, printre care florurile de sodiu si clorura de zinc, dar efectul obtinut nu a fost pe masura rezultatelor asteptate, viabilitatea traverselor crescand cu numai 5-15%. Din aceasta cauza, impregnarea cu fungicide minerale nu s-a bucurat de prea mare succes. Cercetarile au continuat cu fungicide organice, cele mai bune rezultate obtinandu-se prin amestecarea titeiului (petrolului) sau a pacurii cu carbolineum (extract din ulei de antracen), sau cu ulei de creozot de carbuni (rezultat prin distilarea gudroanelor de huila, dupa procedeul realizat pentru prima data in laborator, de naturalistul german Karl Von Reichenbach, in 1832). Procedeul, care se baza prin absortia in vid a fungicidului pana la saturatie, a fost generalizat rapid, in majoritatea tarilor aparand inca din primii ani ai secolului 20, numeroase uzine de impregnat traverse de cale ferata.
La 5 mai 1835 este inaugurata si prima cale ferata din Europa continentala, ce folosea numai tractiunea cu locomotive, intre Bruxelles si Malines (Belgia).
In 1832 si 1833 Robert Stephenson realizeaza locomotivele „Planet” si „Patentee” , adoptate de toate caile ferate din lume (o exceptie o constituie o locomotiva realizata in Rusia, de catre Cerepov, ramasa insa la stadiul de unicat), astfel ca tractiunea cu abur se extinde, in 1830 (in Franta si SUA), in 1832 (Rusia, o data cu realizarea liniei Sankt-Petersburg---Puskino), in 1835 (in Belgia si, pe atunci, Prusia-actuala Germanie).
In 1840 este realizata linia Londra-Bristol („great western”), iar, pana in 1850, majoritatea retelei feroviare britanice era terminata.
Din acest moment, transportul feroviar isi incepe marsul triumfal in epoca aburului (viteza de 100 km/h este atinsa, in 1835, pe linia Liverpool-Manchester).
Majoritatea cailor ferate vor folosi ecartamentul „standard-normal” (1435mm), cu cateva exceptii: Rusia (din considerente strategice; in 1853 este realizata linia Moskova-Sankt Petersburg), tarile Asiei de sud-est, India, America de Sud, Africa.
In 1846 este adoptat un acord intre majoritatea tarilor lumii, privind utilizarea ecartamentului standard-normal, de 1435 mm.
Caile ferate incep sa se extinda, atat in tarile dezvoltate economic,cum ar fi: Franta (24 august 1837-linia Paris-Saint Germain, 1843-linia Paris-Orleans, dar, mai cu seama, in timpul celui de-al doilea „imperiu”-1852-1870), Prusia-actuala Germanie (7 decembrie 1835-linia Nurnberg-Furth), Regatul Piemontului-actuala Italie ( Naples-Portici, in 1839), Elvetia (Baden-Zurich, in 1847), Suedia (1860), Imperiul Austriac (Viena-Trieste, in 1854; a fost probabil cea mai dificila cale ferata din Europa, trecand prin pasul Semmering, la o altitudine de 898 m, dar si prin 14 tunele, 16 viaducte- unele cu doua nivele-, si peste 100 de poduri arcuite din piatra. Linia are o inclinare de 20 grade- pe 60% din traseu, iar panta maxima este de 28 grade), dar si pe alte continente. In 1862 deja se putea calatori cu trenul de la Paris la Sankt Petersburg.
In Elvetia se realizeaza cele mai lungi tuneluri feroviare din lume: „Saint-Gothhard”(in 1882), „Simplon” (in 1906; cu cei aproape 20 km. Ai sai este,pana in 1988, cel mai lung tunel feroviar din lume), „Lotchsberg” (in 1913).
Astfel, in China prima cale ferata este inaugurata in 1876 (pe ruta Shanghai-Woosung), in Japonia trenul fuiera pentru prima data in 1872 (intre Tokio-Yokohama), in tarile Asiei de sud-est colonistii francezi si britanici inaugureaza primele cai ferate (cu ecartament ingust, de 1000mm), in India trenul isi face aparitia in 1853 (cu ecartament larg, de 1676mm).
Pe continentul african, prima cale ferata se inaugureaza in 1856, in Egipt, iar, in Australia, trenul apare in 1854, o data cu inaugurarea liniei Melbourne-Sandrige.
In America de sud, in 1857, se inaugureaza prima linie ferata (Argentina, intre Buenos Aires-Flores); in 1854 o linie ferata lega Oceanul Pacific cu cel Atlantic (in Panama).
Dar marile linii se construiesc dupa 1870: la 10 mai 1869 se inaugureaza linia ferata Council Bluffs-Ogden (care leaga malurile celor doua oceane, in SUA; in 1886 si Los Angelesul este legat ,prin cale ferata, cu coasta de est), intre 1886-1909 este realizata calea ferata transcanadiana (Halifax-Vancouver), intre 1891-1905 este realizata impresionanta linie transiberiana (Moscova-Vladivostok, care, cu cei 10.000 de km, ramane, pana azi, cea mai lunga cale ferata din lume), pana in 1916 se realizeaza si linia Moskova-Taskent (care lega tarile Asiei centrale cu Europa), in 1917 este inaugurata calea ferata tranaustraliana (Perth-Adelaide).
Se imbunatatesc si caracteristicile materialului rulant, (din 1850, un mecanism de distributie „Heusinger-Walschaerts”, permitea mersul inainte si inapoi a locomotivelor cu aburi),puterea si viteza locomotivelor cu aburi creste (in 1870 britanicii construiesc locomotiva „Stirling”, in 1902 francezii realizeaza locomotiva „Midland”, la 11 mai 1848 locomotiva britanica „Great-Western” atingea 108 km/h, in 1849 locomotiva americana „The Governer” atingea 134 km/h,in 1893 o locomotiva americana, a companiei „New-York-Central”, atingea viteza-record, de 181 km/h.) Tot in SUA, apar si celebrele locomotive „Pacific”, cu viteza si putere sporita.
Se imbunatateste si confortul vagoanelor de calatori: in al saselea deceniu al secolului 19 incep sa fie folosite boghiurile (care fusesera inventate, inca din 1831, de John Jervis), din 1853 se foloseste otelul la constructia vagoanelor , in 1858 americanul George Pullman realizeaza compartimentarea vagoanelor de clasa, in 1864 tot el realizeaza primele vagoane de dormit.
In 1868 americanul George Westinghouse realizeaza frana cu aer comprimat si semnalul de alarma (extinse din 1872), si se extinde incalzirea cu aburi a vagoanelor de calatori.
In privinta vagoanelor de marfa, acestea erau putin diversificate, singurele vagoane specializate fiind vagoanele-cisterna, (in 1868),si cele frigorifice (perfectionate din 1875).
In privinta sistemelor de semnalizare, in 1848, la caile ferate britanice se introduce semnalizarea mecanica, perfectionata in 1851 de Joseph Lenoir (care realizeaza si frana electrica).Tot in 1851 americanul Charles Minot pune la punct semnalizarea de tip „dispecer” (o precursoare a centralizarii electromecanice), solutie pe care o aplica pe linia New York-Erie.
Sistemele de manipulare mecanica a schimbatoarelor de cale (macazelor) si a semnalelor cu inzavorare reciproca si declansator mecanic pentru manipularea acestor instalatii, apar, in perioada 1856-1859, in Marea Britanie.
La inceputul secolului 20, sub imperiu dezvoltarii electrotehnicii, apar, in Germania, primele sisteme de centralizare electromecanica a statiilor.
Se imbunatatesc si caracteristicile cai de rulare: daca la inceput se foloseau sine de tipul 26 kg/ml, spre sfarsitul secolului 19 se trece la tipul 30 si apoi 40 kg/ml. Intre 1880-1900, in SUA, se adopta ecartamentul-standard, cuplajul automat, sinele si podurile din otel si blocul mecanic de semnalizare.
La inceputul secolului 20 incepe si impregnarea, pe scara larga, a traverselor de cale ferata. Rezultatele obtinute prin creozotare erau spectaculoase, indeosebi la traversele din fag, a caror durata in cale a crescut de 5 ori (de la 6-8 ani la 30-40 de ani), in timp ce la traversele de rasinoase viabilitatea nu a ajuns decat la 15-20 de ani. Traversele din stejar au atins si ele, prin impregnare, performantele celor de fag, dar proprietatea stejarului de a crapa, mai mult decat celelalte esente, i reducea durata de serviciul in mod apreciabil. Impregnarea a facut deci o selectie a esentelor de lemn, retinand pentru traverse doar fagul, care s-a utilizat cu preponderenta de marea majoritate a administratiilor feroviare din lume, de la inceputul secolului 20 si pana prin anii 60’. Exceptie au facut-o administratiile cailor ferate din: Suedia, Norvegia, Finlanda, URSS, Marea Britanie, Germania, SUA, Canada si alte cateva tari, unde alaturi de traversele din fag s-au utilizat si traversele din pin.
Referitor la traversele din lemn ar mai fi de adaugat ca prin 1945, cercetatorul german Ruping a pus la punct o metoda extrem de economica de impregnare, numita „procedeu de absorbtie limitata”, care scade consumul de creozot de la 25 kg/bucata la 7 kg/bucata, fara sa afecteze calitatea si durata de serviciul a traverselor.