ferrovia

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Da duecento anni la struttura più economica ed ecologica per il trasporto

La ferrovia, chiamata spesso strada ferrata, è uno dei principali sistemi di trasporto per merci e persone. Tuttora, a quasi duecento anni di distanza dalla sua introduzione, è una delle forme di trasporto più economiche, sicure e rispettose dell'ambiente. Ferrovia non vuol dire solo treni e vagoni merci: nelle città esistono anche metropolitane e tram, esempi di trasporto specializzato su rotaia. Costruire e far funzionare una ferrovia non è per nulla semplice: la struttura del territorio può porre vincoli non indifferenti e i costi di gestione sono alti, ma nonostante ciò le ferrovie sono un bene irrinunciabile per lo sviluppo di ogni nazione

Binari e traversine

Nella grande generalità dei casi la ferrovia è costituita da due guide di metallo, le rotaie, che corrono parallele e formano il binario su cui transitano i convogli. Le rotaie sono a loro volta costituite da barre di metallo sagomato, di lunghezza ed eventualmente curvatura diversa, poste una dopo l'altra per raggiungere la distanza necessaria. Le parti di metallo che formano le rotaie sono leggermente staccate tra loro. In altre parole si lascia un piccolo spazio fra un pezzo e l'altro perché quando la temperatura aumenta questo materiale si dilata e se non ci fosse almeno un piccolo spazio le rotaie si deformerebbero. Nelle ferrovie più moderne, tuttavia, specie in quelle su cui devono correre treni molto veloci, i singoli pezzi di binario possono essere anche molto lunghi e venire saldati fra loro con tecniche particolari, che permettono l'assorbimento delle dilatazioni anche nei tratti in curva e garantiscono maggiore stabilità al convoglio e comfort al viaggiatore. Le rotaie sono appoggiate e bloccate da traversine, di legno o calcestruzzo, posizionate tra una rotaia e l'altra, che le mantengono sempre a una determinata distanza, sorreggendole allo stesso tempo. Le traversine scaricano al suolo la pressione dei convogli che transitano sui binari ed evitano che i binari stessi sprofondino nel terreno.

Lo scartamento

La distanza fra le rotaie, che viene chiamata scartamento, è un dato fondamentale per la libera circolazione dei treni fra una nazione e l'altra. In passato esistevano in nazioni differenti misure diverse dello scartamento e quindi alle frontiere i passeggeri dei treni dovevano cambiare convoglio, così come le merci, con grandi perdite di tempo. Oggi lo scartamento di quasi tutte le ferrovie europee è unico. Dalla fine del 19° secolo la misura della distanza fra le rotaie è stata infatti unificata a 1,435 m, il cosiddetto binario normale. Esistono tuttora, comunque, scartamenti diversi: in Russia si adotta la misura di 1,524 m, mentre in Giappone e in Sudafrica esiste uno scartamento ridotto di 1,067 m. Gli scartamenti giapponesi, tra l'altro, sopportano i treni più veloci al mondo, che arrivano a velocità superiori a 300 km/h.

Ferrovie particolari sono quelle a cremagliera, nelle quali fra i due binari principali ne esiste un terzo centrale, sempre in acciaio, con una dentellatura. È un tipo di ferrovia utilizzato a volte in montagna, o anche in alcune città, in presenza di forti dislivelli. In caso di salite con pendenze notevoli, infatti, i convogli ferroviari non potrebbero percorrere le normali rotaie perché le ruote di metallo della locomotiva slitterebbero sui binari, anch'essi metallici, come accade ai pneumatici delle automobili sul ghiaccio a causa del bassissimo attrito fra la gomma e il ghiaccio stesso. La dentellatura della cremagliera centrale di queste ferrovie, invece, permette ai convogli di procedere su salite di notevole pendenza. Altre ferrovie possono funzionare a traino, con il convoglio agganciato a una fune.

Il risparmio energetico della ferrovia

Ogni volta che per viaggiare utilizziamo la ferrovia invece dell'automobile facciamo un buon affare: piccolo ma concreto per il nostro futuro, oltre che un'azione positiva per l'ambiente in cui viviamo. Il trasporto ferroviario di persone e merci, infatti, è uno dei più efficienti in termini di risparmio di energia e rispetto dell'ambiente.

L'enorme peso di una carrozza ferroviaria, che in genere può arrivare a 125 t, poggia sulle rotaie metalliche con un certo numero di ruote, di solito otto per vagone. Il punto chiave per capire l'efficienza in termini di energia è che tutto il peso del vagone si scarica sui pochi centimetri quadrati della superficie di contatto fra ruote e binari. Per rendersi conto della situazione descritta pensiamo che l'area di contatto fra ogni ruota dei vagoni (o della motrice) e il binario è equivalente a quella di una monetina da 5 centesimi di euro! Risulta quindi facile capire come si creino le condizioni per avere un ottimo comfort e il minimo dispendio di energia, necessaria per la trazione, che viene tutta concentrata su un'area molto piccola minimizzando l'attrito.

Inoltre l'attrito con l'aria, o resistenza aerodinamica, un fattore importante per la locomozione, può essere reso abbastanza piccolo. Questo attrito dipende, infatti, dalla forma della locomotiva, specie dal frontale, che può essere disegnato in modo da renderlo più piccolo: e questo modifica profondamente la resistenza aerodinamica in quanto è la locomotiva a sopportare il primo e maggior impatto con l'aria nella corsa del treno. Naturalmente minore è la resistenza aerodinamica, minore è anche, a parità di velocità, l'energia necessaria per far viaggiare il convoglio ferroviario.

Grazie a queste caratteristiche di base, e ad altri accorgimenti di minore importanza, il trasporto su ferrovia permette di far viaggiare persone e merci con un risparmio energetico anche superiore al 50% rispetto ad altri mezzi di trasporto, come quello su gomma. È questo un fatto non trascurabile dato che produrre energia comporta comunque un certo inquinamento dell'ambiente e quindi minore è la quantità di energia utilizzata in un processo, minore è l'impatto con l'ambiente. Un ulteriore risparmio è fornito dal fatto che più persone e merci utilizzano lo stesso mezzo, senza distribuirsi su diverse vetture. Questi fatti importanti e concreti, risparmio energetico e rispetto dell'ambiente, hanno convinto alcune nazioni in cui la ferrovia ha raggiunto un alto grado di sviluppo sul territorio, come la Svizzera o l'Austria, a mettere in cantiere piani per portare il trasporto su rotaia praticamente ovunque, e quindi diminuire il più possibile il trasporto di merci su camion. La Svizzera conta di trasportare su ferrovia le merci sul suo territorio all'80% entro il 2010.

Chi ha inventato la ferrovia?

Non è certo semplice stabilire chi inventò e quando la ferrovia, dato che già nell'antica Grecia o ai tempi dell'Impero Romano si utilizzavano solchi segnati e pavimentati con pietre per far scorrere carri (corrispondenti ai vagoni attuali) trainati da cavalli.

In Europa esistono esempi di ferrovie con binari in legno a partire dal 16° secolo. Tuttavia solo nel 18° secolo, in Inghilterra si iniziò a progettare e realizzare binari in metallo su cui far viaggiare carrozze trainate da cavalli. Il primo rudimentale esempio di ferrovia, come oggi la conosciamo, si ritiene quello apparso a Londra, per opera dell'ingegnere William Jessop: pochi chilometri di strada ferrata su cui scorrevano carri trainati da cavalli. Era il 1802: dopo poco entrò in funzione la locomotiva a vapore (treno) e iniziò la vera rivoluzione dei trasporti. Con la macchina a vapore, infatti, per la prima volta, l'uomo poteva costruire strumenti capaci di sviluppare potenze di gran lunga superiori a quelle disponibili grazie al lavoro animale. E così la ferrovia è diventata il simbolo della prima rivoluzione industriale.

La prima linea ferroviaria italiana: la linea Napoli-Portici

Il 3 ottobre 1839 è la data di inaugurazione della prima linea ferroviaria italiana, fra Napoli e Portici. Ferdinando II di Borbone, allora re del Regno delle Due Sicilie, favorì lo sviluppo della scienza e della tecnica e incoraggiò la realizzazione di quello che doveva essere il primo tratto della Napoli-Nocera-Castellammare. Il progetto era tanto pionieristico per l'Italia che non è neppure nota con precisione la lunghezza esatta del primo tronco: secondo alcune fonti 7.640 m, secondo altri qualche metro in meno, 7.250. In quella tratta la locomotiva da sola poteva raggiungere la velocità, notevolissima per l'epoca, di 60 km/h, mentre quando trainava un convoglio andava a circa 50 km/h.

Se pensiamo che i primi esempi di ferrovia moderna, che comunque non costituivano una linea regolare, apparvero pochi anni prima, fra il 1802 ed il 1806 in Inghilterra e nel Galles, possiamo capire come il Regno delle Due Sicilie, su cui regnava allora Ferdinando II, fosse per questo aspetto all'avanguardia.

Ferrovie specializzate

Metropolitane, tram, metrotram, sopraelevate sono tutte ferrovie specializzate che, soprattutto nelle grandi aree urbane, permettono il trasporto rapido di persone da una parte all'altra delle città. Oggi metropoli come Londra, con milioni di abitanti che si spostano più volte al giorno per andare al lavoro o per altre ragioni, non potrebbero sopravvivere al caos senza un sistema integrato di trasporto urbano composto soprattutto di linee ferroviarie metropolitane che scorrono sotto terra, spesso su più livelli sovrapposti. Di fatto metropolitane e tram sono un sistema integrato alle ferrovie propriamente dette e le maggiori stazioni metropolitane delle grandi città si trovano in corrispondenza delle stazioni di arrivo della ferrovia. Scesi dal convoglio ferroviario i passeggeri possono rapidamente spostarsi in città proprio grazie alla metropolitana. Per avere un'idea di quanto sia comodo questo sistema, basti pensare che per attraversare Roma da una parte all'altra in metropolitana serve oggi circa mezz'ora, mentre in automobile possono non bastare due ore! Non si deve nemmeno trascurare il fatto che un convoglio metropolitano può trasportare oltre 1.000 persone.

Spesso le strade principali delle città piccole o medie sono percorse dai binari per i tram. Questi mezzi rendono spedito e conveniente il trasporto dei passeggeri ed eliminano dal traffico cittadino centinaia di automobili che andrebbero altrimenti a complicare la situazione già problematica della circolazione. Inoltre i tram si muovono utilizzando energia elettrica e quindi non contribuiscono all'inquinamento urbano da combustibili. Le ferrovie cittadine rivestono oggi un'importanza strategica e fanno sperare in future città meno caotiche e più vivibili.

Treni a levitazione magnetica

La speranza di avere ferrovie che permettano un trasporto velocissimo, fino a 500 km/h, e molto vantaggioso dal punto di vista energetico è riposta nella tecnologia a levitazione magnetica (MAGLEV) basata sul fenomeno fisico noto come superconduttività (conduttori). In particolari condizioni, la corrente elettrica può scorrere con enorme efficienza in molti metalli incontrando una resistenza pressoché nulla: da qui la denominazione di superconduttività. La superconduttività è in grado di creare campi magnetici molto intensi. Negli impianti a levitazione magnetica, la ferrovia è composta da due binari di materiale particolare, sempre metallico, entro i quali, e non sopra i quali, scorre il treno come sospeso fra i binari stessi e il suolo grazie ai campi magnetici che vengono creati fra i vagoni del convoglio e le rotaie.

La totale mancanza di attrito ‒ non ci sono parti a contatto tra loro ‒ permette velocità elevatissime con un notevole risparmio energetico. In diverse nazioni, per esempio in Germania, in Cina, in Giappone, si stanno sperimentando brevi tratte di ferrovie a binario magnetico.

Costruire e far funzionare una ferrovia

Fin da bambini siamo abituati a considerare le ferrovie un elemento fondamentale del paesaggio e della nostra vita e forse non abbiamo mai pensato alle difficoltà che occorre superare per costruire una ferrovia e poi per farla funzionare ventiquattro ore al giorno e per tutti i giorni dell'anno.

Il sistema ferroviario di una nazione deve essere prima costruito e poi sviluppato tenendo conto della sua orografia. Per esempio, in Italia la presenza di due grandi catene montuose, le Alpi e gli Appennini, limita di molto i possibili tracciati per le linee ferroviarie, che corrono spesso lungo il mare.

Bisogna poi tenere in considerazione la disposizione delle città da servire, ovvero da collegare con la ferrovia. Questo è un limite ancora più complesso del precedente, dato che le città si espandono e cambiano; nel tempo mutano anche i rapporti economici e quindi il numero di persone che vogliono spostarsi fra le varie città o le quantità di merci da trasportare.

Anche la velocità con cui si può effettuare il trasporto di persone o cose tramite la ferrovia è ovviamente influenzato sia dalla disposizione dei rilievi sia dalla distribuzione della popolazione nelle città. Anche se esistono treni particolari che riescono a raggiungere buone velocità su tratti montagnosi è intuitivo capire che in paesi come il nostro con molte montagne o, nel caso opposto, con pianure molto popolate e città molto vicine le une alle altre, come nella Pianura Padana, le velocità medie dei convogli non possono essere mediamente elevate qualunque sia la tipologia di linea ferroviaria di cui si dispone.

Disegnare un sistema ferroviario ottimale, che tenga conto dei vincoli naturali, della geografia umana, dei carichi di persone o cose da trasportare, delle velocità con cui si vuole effettuare il trasporto è quindi un problema complesso. Altrettanto difficile è la gestione di una ferrovia fatta di migliaia di chilometri di binari, di scambi per far transitare i convogli da un binario all'altro, di semafori per regolare il traffico, di passaggi a livello nei punti in cui la ferrovia interseca una strada e via dicendo. La ferrovia è, insomma, un sistema complesso che ha bisogno di continua attenzione, manutenzione e miglioramenti.

Ferrovie e sicurezza

La ferrovia, indipendentemente dalle sue caratteristiche, è un mezzo di trasporto molto sicuro.

Questo risultato non è scontato, come forse potrebbe sembrare, perché ci sono varie possibilità di incidente ferroviario: per esempio il treno può deragliare o perché le rotaie della linea ferroviaria cedono, o per l'eccessiva velocità che lo fa uscire dai binari in curva a causa della forza centrifuga; un treno può scontrarsi con un altro che viaggia sulla stessa linea, o con un'automobile che incrocia la linea ferroviaria a un passaggio a livello. In caso di errore, rimediare è difficile proprio perché la ferrovia non permette manovre di emergenza efficaci e rapide.

Anche in questi casi l'alto livello di sicurezza della ferrovia si ottiene con un controllo capillare delle linee e dei convogli che vi circolano. Il sistema di segnalazione è fondamentale: in ogni momento lungo la ferrovia la segnaletica permette al guidatore di un convoglio di sapere quale velocità può tenere, e per quale distanza la linea avanti a sé è libera. Oggi, con la possibilità delle trasmissioni radio unite ai sistemi elettronici automatici di controllo, il livello della sicurezza è molto cresciuto, dato che si può conoscere in ogni momento la posizione dei vari convogli sulla linea ferroviaria di un'intera nazione. E pensiamo che si tratta, per l'Italia, di migliaia di treni che viaggiano ogni giorno su migliaia di chilometri di ferrovia.

Un bene sociale costoso ma fondamentale

La ferrovia permette un trasporto economico, rispettoso dell'ambiente e che richiede poca energia rispetto a tutti gli altri sistemi. Per queste sue caratteristiche in moltissime parti del mondo rappresenta la base per il sistema di trasporto pubblico più utilizzato, soprattutto in Asia, in nazioni come India, Cina e Giappone.

Il problema principale resta legato alla necessità di forti investimenti per sviluppare le strutture delle ferrovie che, come abbiamo detto, sono piuttosto complesse per garantire massima sicurezza e velocità ai convogli che vi circolano. Sviluppare e mantenere un sistema ferroviario richiede in genere l'intervento dello Stato, che deve contribuire con stanziamenti piuttosto ingenti. Se i passeggeri e le merci delle ferrovie dovessero sostenere i veri costi di esercizio e sviluppo del settore la spesa diverrebbe in molti casi troppo alti (per esempio per i lavoratori pendolari che si servono tutti i giorni del treno). Questo è vero in quasi tutti i paesi, dagli Stati Uniti alla Corea del Sud. D'altra parte i benefici sulle società sono così elevati che la ferrovia è considerata dappertutto una risorsa sociale irrinunciabile. Basti pensare a cosa accadrebbe alle strade italiane se i milioni di passeggeri trasportati ogni giorno dalle ferrovie dovessero servirsi delle automobili o anche solo degli autobus!