FERROVIA
FERROVIA (XV, p. 123; App. II, 1, p. 921; III, 1, p. 601)
Nei quindici anni dal 1960 al 1975 le f. sono state caratterizzate dall'aumento delle velocità di marcia specie dei treni viaggiatori e ciò per vincere la concorrenza del mezzo automobilistico su strada e di quello aereo per distanze fino a 300 ÷ 500 km. Per la prima volta in questi quindici anni nei paesi industrializzati sono state progettate, finanziate e realizzate nuove linee ferroviarie per velocità fino a 250 ÷ 300 km/h. Nel campo dei servizi locali nuove f. metropolitane e suburbane sono state costruite sia in Europa che in America. Infine la crisi petrolifera ha imposto ai paesi dell'Europa e dell'America e al Giappone di rivedere la politica dei trasporti per arrivare al risparmio energetico; in tutti questi paesi si è manifestato un notevole incremento del traffico ferroviario, sia viaggiatori sia merci.
Nuove linee ad alta velocità. - a) La linea Shin Kansen delle Japanese National Railways. L'esercizio sui 515 km della "Nuova linea del Tokaido" tra Tokyo e Osaka s'iniziò nell'ottobre 1964, cui seguì nel marzo 1972 quello tra Osaka e Okayama; dal marzo 1975 l'intera linea fino ad Hakata, della lunghezza di 1074 km, è in servizio. L'intero percorso è compiuto in meno di 7 ore. Il traffico giornaliero totalizzò nel 1964 una media di 61.000 passeggeri che salirono a 233.000 nel 1971; con l'apertura del tronco fino a Okayama nel 1972 il numero dei viaggiatori giornalieri è passato a 301.000 e nel 1975 è arrivato a circa 470.000.
Gli utili nei sette anni di esercizio dal 1964 al 1971 sono ammontati a 380.000 milioni di yen, pari al costo della nuova linea del Tokaido. Nel 1972 gl'introiti furono di 251.300 milioni di yen e le spese di 125.100 milioni, con un utile di 126.200 milioni di yen; nel 1973 le spese salirono a 135.000 milioni e gli utili salirono a 155.300 milioni. Attualmente sono in costruzione tre nuove linee, per totali 861 km (Tokyo-Morioka, Tokyo-Nügata e Tokyo-Aeroporto di Narita). Le JNR stanno progettando il quadruplicamento della "Nuova linea del Tokaido" fra Tokyo e Osaka e studiano una f. non tradizionale con sospensione magnetica e motore di trazione lineare per velocità fino a 500 km/h. Come risulta dalla tab. 1 la linea Shin-Kansen è una f. tradizionale, come armamento e come sistema di elettrificazione.
b) Il quadruplicamento della linea ferroviaria Roma-Firenze. - Sulla relazione Napoli-Milano, che è la dorsale dell'intera rete ferroviaria italiana e assorbe, con il 5% del chilometraggio della rete stessa, il 30% del traffico globale (in viaggiatori × km e in tonnellate × km), la ridotta potenzialità della Roma-Firenze costituisce da anni una dannosa strozzatura che influisce negativamente sulla fluidità della circolazione, soprattutto merci, e sugli aumenti di traffico progressivamente richiesti dallo sviluppo economico del nostro paese, essendo vari tratti della linea, con le attuali punte di 220 treni al giorno, al limite della saturazione. Pertanto le Ferrovie dello Stato proposero il quadruplicamento della Roma-Firenze con la costruzione di una nuova linea che eliminasse le anse della linea esistente, fosse a questa appaiata nelle tratte ove ciò risultasse possibile e costituisse con la linea esistente (mediante le previste intercomunicazioni) un sistema unico a quattro binari perfettamente integrati in modo da ottenere la massima potenzialità e la maggiore possibile elasticità nelle condizioni di esercizio. Tale quadruplicamento (già in funzione sulla Roma-Città della Pieve) consentirà quindi di svolgere i servizi con caratteristiche diverse (alta velocità e treni lenti) sulla sede più appropriata, ma nel contempo l'agevole trasferimento dei treni dall'uno all'altro tracciato, attraverso le interconnessioni, con possibilità di effettuare finanche precedenze dinamiche e di fronteggiare, senza rilevanti ripercussioni al traffico, sia le esigenze di un'adeguata manutenzione del binario (specie sui binari destinati all'alta velocità), sia circostanze eccezionali, come l'interruzione di un tratto delle due linee per incidenti o eventi calamitosi. Le principali caratteristiche della nuova linea sono le seguenti:
tracciato: andamento planimetrico con curve di ampio raggio (non inferiore a 3000 m);
pendenza: in relazione alla sfavorevole orografia della zona compresa tra Roma e Firenze si è raggiunto un compromesso tra la convenienza economica di limitare la lunghezza delle gallerie e di contenere la pendenza massima al 7,5‰ in galleria e all'8‰ allo scoperto;
velocità massima di esercizio: 200 km/h per i treni effettuati con locomotive e carrozze e 250 km/h per i treni effettuati con materiale automotore con possibilità di esercizio in futuro fino a 300 km/h;
sopraelevazione massima: 125 mm, che comporta l'insufficienza di sopraelevazione di 130 mm riferito ai 250 km/h, contenendo l'accelerazione centrifuga non compensata nel valore ammesso di 0,85 m/sec2 e l'eccesso di sopraelevazione per la circolazione lenta (80 km/h) nel valore, pure accettabile, di 100 mm;
assenza di passaggi a livello; tutti gli attraversamenti stradali sono effettuati mediante cavalcavia o sottovia;
binari: scartamento normale di 1,433 m con interasse a 4 m, sia in galleria sia allo scoperto, armati con rotaie del tipo 60 UIC (Union Internationale des Chemins de Fer, 60 kg/m) della lunghezza di 144 m e con traverse in cemento armato precompresso con interasse di 60 cm;
massicciata: dello spessore minimo di 350 mm al disotto del piano di posa delle traverse costituita esclusivamente di pietrisco 3/6 proveniente da rocce di natura basaltica aventi una σR non minore di 1600 kg/cm2 e coefficiente di rotolamento non superiore al 3,5%;
alimentazione: da linea aerea in corrente continua a 3 kV, come sull'esistente rete FS
sottostazioni: di trasformazione e conversione ogni 15 km, della potenza nominale di 5400 kW (con sovraccarico del 50% per 1 h e del 100% per 5 minuti);
interconnessioni: dieci tra la nuova e la vecchia linea (Orte Sud e Nord, Orvieto Sud e Nord, Chiusi Sud e Nord, Arezzo Sud e Nord, Valdarno Sud e Nord) realizzate con binari che si diramano dalla nuova linea, senza intersezioni a raso con scambi tag 0,055 (R = 1200 m e V = 100 km/h sul ramo deviato) e s'innestano sulla linea vecchia mediante doppi bivi con scambi sempre tag 0,055. Inoltre la nuova linea non ha stazioni: ogni 15 km, in corrispondenza anche delle sottostazioni di conversione, vi sono posti di comunicazione tra i due binari con deviatoi e posti di movimento telecomandati con binari di precedenza; i binari delle due linee sono banalizzati, cioè sono percorribili dai treni in entrambi i sensi di marcia, e la circolazione è regolata da un unico centro operativo dotato di un elaboratore elettronico.
c) La nuova linea Parigi-Lione. - Il 24 marzo 1975 il governo francese ha dato parere favorevole in via definitiva alla costruzione della nuova linea Parigi-Lione; anche in questo caso di tratta si una f. tradizionale a scartamento normale, ma a differenza della direttissima Roma-Firenze sarà percorsa solo da treni automotori, in un primo tempo del tipo turbotreno, in un secondo tempo ricorrendo alla soluzione elettrica; per tali convogli è prevista una velocità di 300 km/h, il che consentirà di collegare le due città in due ore. Trattandosi di linea destinata solo a treni veloci, per ridurre le spese di costruzione sono state ammesse pendenze in ascesa fino al 31‰.
Per chiudere questo argomento si aggiunge che nel 1974 nel Centro di sperimentazione di Pueblo negli SUA un veicolo ferroviario di concezione classica ha raggiunto la velocità di 400 km/h.
Mezzi di trazione per linee ad alta velocità. - Poiché la resistenza al moto del materiale ferroviario è proporzionale al quadrato della velocità, la potenza necessaria per vincere tale resistenza al moto è proporzionale al cubo della velocità; conseguentemente negli ultimi quindici anni la potenza installata nelle locomotive elettriche ha raggiunto la massima consentita dal peso ammissibile per asse; per es., in Europa sono entrate in servizio locomotive aventi potenza continua di 4000 kW con rodiggio Bo-Bo e 21 t per asse e di 6000 ÷ 6500 kW con rodiggio Co-Co e 19,5 t per asse. Per le elettromotrici siamo sia in Europa sia in Giappone su potenza dell'ordine di 200 ÷ 270 kW per asse. Le locomotive vengono utilizzate per treni con velocità d'impostazione d'orario fino a 200 km/h, mentre per velocità superiore i treni sono costituiti interamente da elettromotrici, il che consente un migliore sfruttamento dell'aderenza sia in trazione sia in frenatura.
a) La locomotiva elettrica E444 delle Ferrovie dello Stato. - Nel 1967 sono entrate in servizio nelle FS quattro unità prototipo della locomotiva E444 a quattro assi motori e due carrelli della potenza continua di 3040 kW e velocità massima di 180 km/h. Alle quattro unità prototipo si sono poi aggiunte 110 locomotive di serie del gruppo E444, le cui caratteristiche sono riportate nella tab. 2, in confronto con quelle di analoghe locomotive francesi e tedesche.
A evitare eccessivi pesi non sospesi gravanti sull'assile e in considerazione dell'elevata velocità di utilizzazione, si è fatto ricorso alla trasmissione del movimento ad albero cavo del tipo ad anello danzante già utilizzato con ottimi risultati sulle precedenti locomotive E646. Per l'accoppiamento motore-albero cavo per la prima volta su locomotiva FS si sono utilizzati cuscinetti a rotolamento a rulli. La trasmissione del movimento tra motore e albero cavo è ottenuta attraverso un accoppiamento diretto pignone-corona con il rapporto di riduzione 41/77. Con tale realizzazione è derivato un valore del passo del carrello di 2,60 m, che è risultato adeguato a ottenere soddisfacenti condizioni di stabilità di marcia anche alle massime velocità. Il motore di trazione ha lunghezza di 1100 mm, larghezza di 1240 mm e peso di 5050 kg; eroga una potenza continua di 940 kW a 890 giri/min e una potenza oraria di 1050 kW a 855 giri/min a pieno campo. Il motore a 6 poli è compensato, il che assicura il suo perfetto funzionamento fino a uno spuntaggio del 66,7%; il suo grado di elasticità è pari a 1,96, il che significa che la locomotiva può erogare la piena potenza da 102 a 200 km/h, l'isolamento è realizzato in classe F. I quattro motori di trazione possono essere accoppiati in serie e in parallelo; il reostato, in ghisa speciale e in alluminio, è utilizzato in fase di avviamento e per la frenatura; per l'esclusione del reostato si è fatto ricorso a un avviatore automatico che consente 43 gradini nella combinazione di serie e 21 in quella di parallelo e ciò per conseguire avviamenti rapidi e graduali al limite dell'aderenza. In fase di frenatura i motori sono eccitati indipendentemente.
La frenatura elettrica e quella pneumatica sono comandate dallo stesso rubinetto del freno e per velocità di marcia superiori a 160 km/h uno speciale selettore elettronico di velocità consente sulla locomotiva la sola frenatura elettrica, e ciò per evitare surriscaldamento dei cerchioni per l'azione dei ceppi, mentre per velocità tra 160 e 70 km/h i due sistemi di frenatura si integrano, come succede per le frenature di emergenza nella gamma di velocità da 200 a 70 km/h; al di sotto di 70 km/h si attiva la sola frenatura pneumatica.
La prestazione di tale locomotiva a 200 km/h è di 380 t, corrispondente a una composizione di 8 carrozze viaggiatori.
b) Le automotrici elettriche Ale 601. - Le unità della prima serie, progettate per una velocità massima di 180 km/h e utilizzate in servizio fino a 160 km/h, entravano in servizio nel 1960; le prime unità di una terza serie di 21 elettromotrici progettate per velocità in esercizio fino a 200 km/h, e con notevoli miglioramenti tecnici, sono entrate in servizio nel 1968 e nell'ottobre dello stesso anno 2 unità hanno raggiunto la velocità di 250 km/h sulla tratta Cisterna-Latina della Roma-Napoli.
Le caratteristiche generali di tali elettromotrici sono riportate nella tab. 3 e confrontate con quelle delle motrici della linea del Tokai do.
Il motore di trazione ha una lunghezza di 1190 mm, una larghezza di 740 mm e un peso di 2400 kg; eroga una potenza continua di 215 kW a 705 giri/min e una potenza oraria di 260 kW a 670 giri/min. Il motore a 4 poli è isolato in classe F, autoventilato, shuntabile fino al 66,5%; ha un grado di elasticità pari 1,67, per cui l'elettromotrice può erogare la piena potenza da 110 a 183 km/h. Anche per tali rotabili è attivata la frenatura elettrica con le stesse caratteristiche già indicate per la locomotiva E444. La carrozza, a compartimento unico, è accuratamente isolata dal punto di vista termico e acustico e dotata d'impianto di condizionamento dell'aria.
Per velocità di esercizio fino a 180 km/h, a due motrici Ale 601 può essere accoppiata una rimorchiata di caratteristica analoghe alla motrice e, per es., attrezzata per il servizio ristorante.
c) Le nuove carrozze viaggiatori. - Anche per il materiale rimorchiato negli ultimi quindici anni si è realizzato maggior comfort congiunto a più elevata velocità di marcia nella sicurezza dell'esercizio. Lo sviluppo di tale materiale può considerarsi il frutto della costruttiva emulazione e collaborazione delle varie reti, particolarmente europee, cui non è mancato il contributo fattivo delle FS. Il plafond della velocità per molti decenni, dagl'inizi del secolo fino al primo decennio dell'ultimo dopoguerra, è stato di 120 km/h; solo nel corso degli anni Sessanta la velocità massima è stata gradualmente elevata a 140 km/h e attualmente si marcia alla velocità massima di 180 km/h con la prospettiva di un imminente scatto a 200 km/h.
Il tipo di carrozza per velocità fino a 180 km/h è quello del modello UIC nelle sue classiche tre versioni: 1ª classe con 10 compartimenti a 6 posti, 2ª classe con 12 compartimenti a 6 posti, e miste con 5 compartimenti di 1ª classe e 6 compartimenti di 2ª classe. La lunghezza totale è di 26,40 m e la larghezza di 2,825 m; le dimensioni dei compartimenti di 1ª classe sono 2,088 m × 1,900 m e di quelli di 2ª classe 1,737 m × 1,900 m. Una tranche più recente di tali carrozze è dotata d'impianto di condizionamento dell'aria sia per la prima sia per la seconda classe.
Il carrello che garantisce ottime qualità di marcia è di progettazione tedesca (Minden-Deutz).
Per i treni TEE (Trans-Europ-Express), sia per il servizio internazionale sia per quello interno, sono entrate in servizio da parte FS nuove carrozze a elevato confort e per velocità fino a 200 km/h. Esse hanno i finestrini a doppio vetro, di cui l'esterno anattinico verde con veneziana incorporata. Le pareti sono di legno di qualità laminato e melamminizzato. Le poltrone, particolarmente studiate, possono assumere due posizioni: normale e di riposo. Per l'isolamento antivibrazioni e termoacustico si è fatto ricorso a nuovo sistema, detto flottante, che consente le completa separazione tra l'involucro interno (pavimento, pareti e cielo) e l'involucro esterno (costituito dalla struttura metallica della cassa). I collegamenti tra i due involucri sono realizzati a mezzo di tasselli di gomma, di durezza adeguata, ancorati a una tralicciatura, in modo che, eliminati tutti i collegamenti metallici e rigidi, viene tagliata efficacemente la trasmissione dei rumori e delle vibrazioni.
d) Il problema della frenatura per i treni ad alta velocità. - Le prove sulle apparecchiature frenanti dei rotabili a suo tempo eseguite sia in sede nazionale sia in sede UIC hanno dimostrato che non è possibile, ai fini della sicurezza dell'esercizio, l'utilizzazione della frenatura pneumatica con ceppi di ghisa su cerchioni d'acciaio a velocità superiori a 160 km/h; infatti riesce problematico lo smaltimento del calore provocato dall'attrito dei ceppi sui cerchioni a velocità superiore a quella indicata, per cui il frequente ripetersi di frenature da velocità più elevate può determinare sia l'allentamento dei cerchioni sia pericolose alterazioni della struttura dell'acciaio dei cerchioni stessi.
Pertanto tutte le amministrazioni che hanno un esercizio ferroviario a velocità superiore a 160 km/h hanno deciso di ricorrere nel campo di velocità superiori a 150 ÷ 160 km/h per i rotabili automotori alla frenatura elettrica, eventualmente integrata nei casi di emergenza da quella con freni elettromagnetici a pattino e per i rotabili rimorchiati a freni a disco anch'essi eventualmente integrati, sempre per emergenza, da freni a pattino.
Per i rotabili automotori, tra i due sistemi di frenatura elettrica, quello a recupero di energia e quella reostatica, presso le FS è stato prescelta la seconda e ciò per evidenti motivi di sicurezza; infatti, com'è noto, la possibilità di recupero dell'energia è legata alla regolare alimentazione della linea di contatto, mentre invece il secondo sistema ne può essere reso indipendente.
In precedenza si è già accennato che sui rotabili automotori FS per l'alta velocità, e cioè sulle locomotive E444 e sulle elettromotrici Ale 601, nel campo di velocità 200 ÷ 160 km/h è attivata la frenatura elettrica reostatica con eccitazione indipendente dei campi dei motori di trazione, che in tale campo di velocità è normalmente interdetta la frenatura pneumatica e che tali due sistemi di frenatura si integrano al di sotto di 160 km/h.
Per quanto riguarda il freno elettromagnetico a pattino, freno che, come si è detto, viene utilizzato come freno di emergenza e ha il vantaggio di svincolare dall'aderenza ruota-rotaia, prove pratiche hanno dimostrato che può dare un contributo di decelerazione pari a 0,25 m/sec2; mentre è stato applicato su vasta scala in Francia, le FS non hanno ancora preso alcuna decisione in merito. I freni a disco, invece, sono stati applicati sulle più moderne carrozze UIC tipo X, cui s'è accennato, nonché sulle carrozze a gran comfort destinate ai treni TEE e sulle rimorchiate delle Ale 601; tali freni sono costituiti da due dischi in ghisa speciale (con alettatura interna) che vengono montati su due mozzi di acciaio calettati su ogni assile; l'azione frenante è dovuta all'attrito di speciali pasticche in materiale sintetico sui dischi.
Ripetizione continua dei segnali in macchina e controllo di velocità. - Le caratteristiche del moderno esercizio su rotaia con convogli frequenti, pesanti e a velocità più elevate, impongono la soluzione di uno dei problemi fondamentali dell'esercizio ferroviario: il rispetto assoluto, da parte dei treni, degli ordini di velocità indicati dal segnalamento lungo la linea, anche in condizioni di visibilità ridotta, senza che ciò debba comportare rallentamenti o perdite di tempo precauzionali rispetto alle velocità di orario, anche le più elevate. L'adozione di sistemi altamente perfezionati di segnalamento, di apparati centrali e di blocco, oltre ad accelerare il traffico ferroviario, è valsa a incrementare, per la parte che si riferisce agl'impianti fissi, il coefficiente di sicurezza portandolo al livello più elevato. Ma se la preparazione degl'itinerari e la manovra dei segnali sono sottoposte alla sorveglianza di controlli estremamente rigorosi, il loro rispetto era fino al giugno 1969 affidato al personale di guida che doveva assumersi questa responsabilità in situazioni sovente sfavorevoli per difficoltà atmosferiche o di traffico.
In un sistema operativo di tali caratteristiche, se gli elementi automatici che v'intervengono possono ritenersi virtualmente perfetti in relazione al loro ufficio, altrettanto non può affermarsi per l'elemento umano, particolarmente sollecitato nel moderno esercizio e che agli effetti della sicurezza costituisce la parte più labile del sistema. Così, allo scopo di adeguare il coefficiente di sicurezza di bordo al livello già offerto dagl'impianti della via, si è sentita la necessità di trasmettere all'agente di guida per una via diversa dalla percezione visiva diretta, certe indicazioni del segnalamento scelte tra le più significative, nonché di controllare il suo comportamento lungo il percorso nelle diverse situazioni imposte dall'aspetto dei segnali laterali o da altre limitazioni di velocità. Si è così arrivati alla ripetizione automatica dei segnali in cabina di guida e al controllo dell'operato del macchinista.
La realizzazione della ripetizione dei segnali in macchina collegata al blocco automatico a correnti codificate si è presentata quasi contemporaneamente all'esigenza dell'Azienda FS di aumentare la velocità di circolazione su quelle relazioni di rango più elevato ove le condizioni del tracciato erano più favorevoli.
Premesso che sulle linee principali della rete FS la distanza di avviso del segnalamento di via era riferita a una base di 1200 m, allorché s'iniziarono gli studi per la circolazione di treni a velocità sino a 200 km/h, tale situazione del segnalamento costituì uno dei problemi di fondo da risolvere in quanto, con le potenze frenanti disponibili e le velocità che si aveva intenzione di realizzare nell'esercizio corrente, le distanze dei segnali risultavano decisamente insufficienti. Scartata la soluzione di adeguare il segnalamento in esercizio agli spazi di frenatura richiesti dalle alte velocità, si è ritenuto di avvalersi della ripetizione per ragguagliare per tempo l'agente di guida sulla situazione a valle del suo convoglio. Poiché il blocco automatico a correnti codificate era capace di trasmettere a bordo solo tre informazioni, corrispondenti ai tre codici impiegati e cioè, oltre alla via libera incondizionata, l'avviso di arresto e avviso di riduzione di velocità al successivo segnale, si è introdotto un quarto codice, grazie al quale i convogli muniti dell'apparecchiatura di ripetizione ricevono a bordo un preavviso di arresto o di riduzione di velocità già nella sezione di blocco che precede il segnale di avviso.
Il fatto di non aver variato l'attuale segnalamento laterale (in realtà sia nel vecchio sia nel nuovo blocco la distanza di avviso è stata portata da 1200 a 1350 m) ha consentito di continuare ad applicare, per i treni ancora sprovvisti di apparecchiatura di ripetizione, le norme e modalità di esercizio in vigore per velocità massime sino a 160 km/h. Per soddisfare le esigenze di velocità più alte, quale quella di 250 km/h prevista per la nuova linea Roma-Firenze, gli spazi di arresto consentiti dagli attuali mezzi frenanti impongono la trasmissione a bordo dell'informazione di "preavviso" quattro sezioni di blocco prima del segnale di esecuzione (5400 m circa), il che richiede d'integrare i 4 codici del blocco automatico con altre due distinte informazioni.
Il principio di funzionamento del blocco a correnti codificate è il seguente: l'alimentazione, in corrente alternata a 50 Hz, viene periodicamente stabilita e interrotta secondo un certo ritmo (codice) da speciali dispositivi detti codificatori. Se T è il periodo della pulsazione, T/2 è la durata sia della fase di alimentazione (ON) che della fase d'interruzione (OFF).
I codici sono correntemente individuati dal numero di pulsazioni al minuto (frequenza di codice). I codici utilizzati nel blocco FS sono i seguenti: 75 pulsazioni al minuto, corrispondente a una frequenza di 0,8 Hz - codice 75 -; 120 pulsazioni al minuto (frequenza di 2 Hz) - codice 120 -; 180 pulsazioni al minuto (frequenza di 3 Hz) - codice 180 -, 270 pulsazioni al minuto (frequenza di 4,5 Hz) - codice 270.
Detti codici, immessi nel binario dal lato dell'alimentazione del circuito di binario (contro il senso di marcia dei treni), sono ricevuti all'estremità ricevitrice da un apposito relè (relè seguitore di codice), che si eccita e si diseccita alternativamente seguendo il ritmo del codice in arrivo. Tramite i contatti del citato relè seguitore di codice viene alimentato il circuito di decodificazione, ove apposite unità decodificatrici, rispettivamente accordate su una frequenza di codice, provvedono a eccitare i relè specifici d'informazione. In tal modo si possono trasmettere da un'estremità all'altra del circuito di binario tutte le informazioni associate ai codici, consentendo da un lato il comando automatico dei segnali e dall'altro la trasmissione, a bordo della locomotiva che insiste sul circuito di binario, dell'informazione corrispondente al codice.
Nel nuovo blocco automatico tutti i segnali sono, in generale, fra loro concatenati, mentre la lunghezza di ciascuna sezione può variare da 900 a 2000 m (mediamente 1500 m).
Il funzionamento della ripetizione dei segnali in macchina è basato sulla captazione, mediante appositi organi (captatori) ubicati davanti al primo asse della locomotiva, del campo magnetico generato dalla corrente codificata del blocco automatico che circola in ciascuna rotaia del binario. Tale campo induce nelle bobine avvolte sui nuclei dei captatori una tensione avente frequenza e pulsazione di codice pari a quelle della corrente di binario, che opportunamente amplificata ed elaborata, viene utilizzata nell'apparecchiatura di bordo per comandare i dispositivi ottici e acustici di ripetizione.
Ogni informazione è trasmessa senza interruzione e assume l'aspetto equivalente a quello del segnale sorpassato per ultimo dalla locomotiva; tale informazione perdura fintantoché non viene superato un segnale che presenta un aspetto diverso o mutano le condizioni a valle del treno. Tutte le informazioni vengono ripetute in cabina di guida mediante l'accensione di apposite luci, con colorazione rispondente all'aspetto presentato dal segnale cui si riferiscono o con sigle luminose convenzionali. Alla mancanza di codice nel corso della trasmissione delle informazioni viene attribuito un significato restrittivo.
Le segnalazioni ottiche sono accompagnate da un richiamo acustico di avvertimento più o meno prolungato a seconda che si tratti di una variazione di codice verso condizioni più o meno restrittive.
L'apparecchiatura di bordo effettua il controllo dell'avvenuto riconoscimento da parte del macchinista del passaggio da una condizione a un'altra più restrittiva del segnalamento. Allo scopo è previsto un pulsante da azionare entro un intervallo stabilito dal momento di variazione dell'informazione, a scanso dell'intervento automatico della frenatura d'urgenza. Questa, eccetto il caso di oltrepassamento autorizzato di segnale guasto, interviene automaticamente all'atto del superamento di un segnale a via impedita, o in genere al verificarsi della mancanza di codice.
In tutti i casi d'intervento automatico della frenatura avviene la disinserzione automatica del circuito di trazione e l'accensione di apposito segnalino. Al riassetto del freno si può provvedere azionando un pulsante di riarmo posto all'esterno del rotabile (condizione di treno fermo). Il funzionamento del dispositivo di bordo è analogo a quello visto precedentemente per la parte di terra del blocco automatico.
La pura ripetizione a bordo dei segnali, sia pure integrata da opportuni dispositivi di vigilanza atti ad accertare il tempestivo intervento del macchinista nelle operazioni di condotta a seguito del superamento di un segnale che impone una limitazione di velocità, non risolve completamente la sicurezza delle circolazioni, in quanto non può evitare, nel caso di una successiva manchevolezza dell'agente, un indebito superamento di un segnale di protezione a via impedita oppure il mancato rispetto del limite di velocità a valle del segnale stesso. Si è così integrata la ripetizione con il controllo della velocità, consistente nel verificare sulla distanza di frenatura e a seguito di un'informazione restrittiva del codice di binario, se la velocità del convoglio è stata opportunamente ridotta in modo da garantire che il convoglio stesso possa arrestarsi prima del successivo segnale disposto a via impedita o di superarlo al limite di velocità stabilito.
Il sistema scelto dalle FS è quello continuo, basato sul confronto per ogni punto dello spazio di frenatura tra la velocità reale del treno e quella teorica stabilita dalla "curva di sicurezza" che, com'è noto, è il luogo dei punti d'inizio delle curve di massima frenatura per l'arresto in un punto stabilito.
La velocità teorica è fissata da un apposito programmatore, il cui elemento caratteristico è dato da un condensatore variabile, generatore di funzione, che compie una rotazione di circa 180° durante il percorso di frenatura e che ha un profilo opportunamente sagomato, in modo che a ogni sua posizione angolare corrisponde, per mezzo di una traduzione analogica in valori di tensione elettrica, una determinata velocità. Il generatore di funzione è messo in rotazione, durante lo svolgimento della curva di sicurezza, da un dispositivo meccanico collegato con una trasmissione elettrica a una sala del rotabile. La velocità reale del treno è determinata, sempre in tensione elettrica, per mezzo di due generatori tachimetrici calettati a due diversi assi del rotabile. In caso di diversità fra i due valori della velocità reale viene emesso apposito segnale d'allarme. Il confronto fra la velocità teorica e quella reale viene eseguito in apposito dispositivo comparatore, che, se del caso, determina la frenatura automatica. Appositi segnalini sul banco di guida informano il macchinista dello sgancio dei programmi di controllo fornendo un'indicazione a gradini dello scarto tra la velocità programmata e quella reale posseduta dal treno.
L'elettronica di potenza nella trazione elettrica. - Sui rotabili ferroviari l'elettronica ha cominciato a fare la sua prima apparizione pochi anni fa, dapprima nei circuiti a bassa tensione e di piccola potenza (circuiti di comando e di blocco, circuiti di regolazione, circuiti d'illuminazione) e poi, a mano a mano che i componenti messi a disposizione dall'industria miglioravano le proprie prestazioni, anche nei circuiti ad alta tensione e di forte potenza: oggi si parla correntemente di apparecchiature di trazione completamente statiche della potenza di 4 MW e non si nutrono più dubbi circa la convenienza a medio termine di tale nuova soluzione.
La miniaturizzazione dei componenti ha permesso infine la realizzazione di apparecchiature compatte e di potenza specifica molto elevata, permettendone l'installazione non solo negl'impianti fissi, come, per es., nelle sottostazioni elettriche di conversione, ma anche sul materiale rotabile, dove il limitato spazio a disposizione impone forti restrizioni per quanto riguarda gl'ingombri.
L'elemento principale su cui si basano tutti i convertitori statici di potenza utilizzati per l'alimentazione dei motori di trazione dei rotabili ferroviari è il tiristore (v. elettronica: Dispositivi elettronici allo stato solido, in questa App.). Per i tiristori utilizzati nei convertitori di grande potenza si giunge oggi agevolmente a tensioni dell'ordine di 1400 V, con correnti superiori a 800 Aeff e tempi di spegnimento inferiori a 40 μsec. La rapida evoluzione tecnologica lascia prevedere che tali limiti saranno ben presto superati, permettendo così una notevole riduzione degl'imgombri e un aumento dei rendimenti.
Quanto agli schemi circuitali adottati per il sistema di elettrificazione a corrente continua i tecnici sembrano ormai essersi orientati sul chopper e sull'inverter, con una leggera preferenza per la prima soluzione stante la minore difficoltà realizzativa.
Il principio di funzionamento del chopper consiste essenzialmente com'è noto in un interruttore statico che viene chiuso e aperto alternativamente, con periodo T, rispettivamente per un intervallo T1 e T2; regolando il rapporto di conduzione (o rapporto ciclico) T1/T tra 0 e 1, è possibile variare la tensione media ai capi del carico tra 0 e il valore massimo della tensione disponibile V. A seconda, poi, del sistema secondo cui viene fatto variare, si hanno chopper a frequenza fissa, se viene variato T1 mantenendo costante T, o a frequenza variabile, se invece viene variato T.
Il chopper o, come si usa dire, il full-chopper, si presta anche per realizzare la frenatura reostatica senza soluzione di continuità nonché quella a recupero, interessante soprattutto per l'esercizio metropolitano.
Esiste poi un altro sistema per regolare la tensione ai motori e che in un certo senso rappresenta un compromesso tra il sistema statico e quello convenzionale a reostato e contattori. Esso viene comunemente denominato shunt-chopper (detto anche chopper parallelo o chopper su reostato); consiste in un chopper, generalmente a frequenza fissa, posto in parallelo a una resistenza antinduttiva R inserita nel circuito del reostato di avviamento. Mediante variazione dell'angolo di conduzione è possibile variare con continuità il valore della resistenza "apparente" tra i valori 0 e R.
I vantaggi che la soluzione a full-chopper (e in parte anche quella a shunt-chopper) presenta rispetto a quella convenzionale possono riassumersi sostanzialmente in: a) maggiore prestazione della locomotiva grazie alla mancanza di discontinuità nello sforzo di trazione e al maggior valore della corrente media; b) impossibilità di slittamenti degli assi; c) maggiore potenza specifica dei motori di trazione; d) ridotta manutenzione, essendo l'apparecchiatura completamente statica e priva di organi soggetti a usura; e) semplificazione della condotta da parte del macchinista, che può impostare la velocità e l'accelerazione per mezzo di appositi manipolatori. Ciò costituisce il primo passo verso la regolazione automatica della marcia dei treni a mezzo di elaboratore centralizzato; f) migliore comfort per i viaggiatori, per gli stessi motivi di cui al punto a); g) minor consumo di energia in fase di avviamento, in quanto manca l'energia dissipata nel reostato.
Per contro, il costo unitario è nettamente superiore, almeno nella fase iniziale, e presuppone per la manutenzione personale specializzato.
L'altro sistema per ottenere la conversione statica di una tensione continua in un'altra pure continua, ma regolabile, è quello di accoppiare un inverter a un raddrizzatore controllato, operando così una doppia conversione. La configurazione adottata è generalmente quella dell'inverter parallelo e l'esempio tipico è l'installazione sulla locomotiva quadritensione E 184 delle Ferrovie Federali Tedesche (DB). Questo mezzo, della potenza continuativa di 3000 kW, ha eseguito alcune prove anche sulla rete FS, confermando le ottime prestazioni del sistema a inverter con i motori in parallelo specialmente nelle linee fortemente acclivi (nella galleria dell'Appennino è riuscita ad avviarsi da ferma con peso rimorchiato di 860 t). Dato il ridotto dimensionamento del filtro d'ingresso, i disturbi elettrici arrecati alle istallazioni fisse erano tuttavia tali da sconsigliarne la circolazione sulla nostra rete. La soluzione a inverter dev'essere vista come primo passo verso l'obiettivo di una locomotiva dotata di motori asincroni a gabbia di scoiattolo alimentati da un inverter a frequenza e tensione variabili, la quale offrirebbe l'enorme vantaggio di una minore manutenzione e di una maggiore potenza specifica; la soluzione a inverter determina una separazione galvanica tra l'alimentazione e i motori di trazione che, necessitando di un più ridotto isolamento verso massa, possono avere una potenza più elevata.
Per quanto riguarda le sottostazioni elettriche di conversione delle FS, le ampolle a vapore di mercurio utilizzate per il raddrizzamento della tensione alternata hanno definitivamente ceduto il passo ai più pratici diodi al silicio, con enormi vantaggi per quanto riguarda il costo, l'ingombro e la manutenzione. Naturalmente anche le prestazioni dei diodi impiegati in origine sono andate col tempo migliorando (da 1200 V, 200 A si è oggi arrivati a 3000 V, 600 A), consentendo una riduzione d'ingombro tale che le moderne sottostazioni vengono addirittura costruite all'aperto, sotto piccole tettoie, accentrando unicamente i controlli e la strumentazione in un piccolo fabbricato coperto. Questi accorgimenti hanno permesso anche di adottare la ventilazione naturale dei gruppi radrizzatori in luogo di quella forzata, con tutto vantaggio per l'affidabilità del sistema. Un altro provvedimento adottato dalle FS per rendere l'esercizio dei propri impianti più oculato e razionale è il telecomando degli impianti TE, che consente di comandare da un posto centrale vari impianti satelliti (sottostazioni, posti di sezionamento, ecc.). La tecnica elettronica è ormai presente in tutti i circuiti relativi ai telecomandi TE (codifica, elaborazione e formazione del messaggio, canali telegrafici, controllo ed elaborazione delle informazioni ricevute, decodifica) e nelle apparecchiature viene fatto largo uso di circuiti integrati montati su sistemi modulari facilmente sostituibili, di grande affidabilità e richiedenti scarsa manutenzione.
La tecnica elettronica viene, infine, impiegata anche per controllare il corretto funzionamento di alcuni componenti critici della sottostazione, quali, per es., i diodi al silicio, la cui segnalazione di guasto è riportata, a mezzo di isolatori ottici, nella sala di controllo presenziata dall'operatore.
Le tecniche del domani. - Dall'inizio degli anni Settanta in Europa (in particolare nella Rep. Fed. di Germania), negli SUA e in Giappone sono stati studiati e realizzati prototipi di veicoli che, utilizzando la sospensione magnetica o elettrodinamica e per la trazione il motore lineare, dovrebbero marciare a velocità compresa fra 350 km/h e 500 km/h e quindi al di là dei limiti di velocità raggiungibili dalle f. tradizionali e costituire una rete complementare tra quella ferroviaria tradizionale, conveniente per distanze fino a 500 km, e quella aerea utilizzabile per distanze oltre 1000 km. Tale nuova rete ferroviaria non tradizionale dovrebbe collegare le principali città dell'Europa occidentale e i nuovi mezzi potranno raggiungere i centri delle città stesse, ove sono ubicate le stazioni ferroviarie, su linee sovraelevate costruite sulle esistenti linee ferroviarie.
Con questi mezzi, e tenendo conto della possibilità di raggiungere il centro delle città in due ore e mezzo, si possono collegare centri distanti oltre 1000 km, mentre con l'aereo, tenendo conto dell'ubicazione degli aeroporti rispetto al centro delle città, si possono nello stesso tempo collegare centri a distanze massime di 900 km, con il treno veloce centri distanti 350 km e con l'auto centri distanti 200 km. Inoltre, avendo scartato per il sostentamento il cuscino d'aria per il forte rumore prodotto, per l'elevato consumo di energia e per la grande usura dei compressori e delle chiusure di tenuta della linea, tale nuovo mezzo è molto favorevole all'ambiente sia per i rumori che per l'inquinamento e avrà costo, comfort e sicurezza paragonabili a quelli dei treni veloci attuali e, rispetto all'aereo, indipendenza dalle condizioni meteorologiche.
Nel 1969 i Tedeschi affrontarono come primo problema quello del controllo della corrente degli elettromagneti di sostentamento e di guida. Gli studi sul motore lineare in Europa vengono condotti in Germania, Francia e Gran Bretagna; oltre a studi teorici sono stati realizzati prototipi nella soluzione sia asincrona sia sincrona. Si rammenta che il motore lineare non ha organi in movimento e che è possibile il passaggio dalla trazione alla frenatura con la permutazione di due fasi; la regolazione di velocità si ottiene variando la frequenza della tensione di alimentazione.
Nel 1971 nella Rep. Fed. di Germania è stato realizzato un veicolo di prova a grandezza naturale e con velocità di 170 km/h; al centro della linea v'è la rotaia verticale di reazione del motore lineare e sui lati le rotaie sulle quali agiscono gli elettromagnetici di guida e di sostentamento. Nel 1973, sempre in Germania, fu messo in prova un nuovo veicolo che raggiunse la velocità di 350 km/h. Attualmente (1977) è in corso di costruzione a Donauwörth lungo il fiume Danubio un tronco di prova lungo 18 km, sul quale si conta di raggiungere la velocità di 500 km/h. A breve scadenza è previsto un tronco lungo 74 km e il problema dovrebbe essere risolto alla fine degli anni Settanta.
In Germania si sta pure studiando il sostentamento elettrodinamico; sul veicolo in progettazione le bobine di eccitazione sono immerse in un bagno di elio liquido e non è previsto alcun gruppo frigorifero a bordo in quanto sarà sufficiente il quantitativo di elio di cui verrà dotato il rotabile all'inizio del viaggio.
Studi più avanzati sono stati effettuati negli SUA per incarico del "Research and development Office of high speed ground trasportation". Il veicolo in corso di sviluppo è provvisto di bobine superconduttrici a corrente continua capaci di generare un campo magnetico dell'intensità di 2,38÷106 A/m e quindi un'induzione magnetica di 3Wb/m2; le correnti fluenti nelle bobine sono dell'ordine di 300.000 A; nelle spire sistemate sulla parte fissa della linea, realizzate con conduttori d'alluminio e nucleo di ferro, vengono indotte al passaggio del veicolo correnti dell'ordine di 5000 A. I superconduttori sono costituiti da una lega di niobio e zirconio, e lavorano alla temperatura di 4 °K in un bagno di elio liquido, mantenuto a tale temperatura da un apparecchio refrigerante della potenza di 10 kW. Le principali caratteristiche del sistema sono: potenza di trazione 2200 kW, velocità di esercizio 480 km/h, peso complessivo 27 t, lunghezza 30 m, capacità viaggiatori 100, altezza di sostentamento 150 mm, motore di trazione lineare a induzione.
Stazioni. - Nei quindici anni dal 1960 al 1975 dalle Ferrovie dello Stato, per quanto riguarda le grandi stazioni per servizio viaggiatori, è stata portata a termine la costruzione di quella di Milano Porta Garibaldi e la ricostruzione e l'ammodernamento di quella di Napoli Centrale. In ambedue i casi si tratta di stazioni aventi sia binari di testa sia binari di transito; questa è appunto la tendenza nella costruzione delle nuove stazioni, cioè quella di evitare la retrocessione dei treni che proseguono la loro corsa onde conseguire economie nell'impiego dei mezzi di trazione e del personale di macchina.
La stazione di Milano Porta Garibaldi è provvista di 12 binari di testa e di 8 binari di transito, sui quali vengono istradati vari convogli che attraversano il nodo di Milano ad alleggerire anche il traffico della stazione di Milano Centrale; nelle vicinanze di Porta Garibaldi vi è anche la corrispondenza con la metropolitana milanese ed è stato realizzato per i viaggiatori un facile passaggio anche alle linee tranviarie e automobilistiche che transitano in prossimità della stazione stessa.
A Napoli, invece, è stato costruito nell'ambito della stazione un grattacielo, ove sono stati sistemati gli uffici del compartimento ferroviario; è stata coperta la stazione di Piazza Garibaldi che con i suoi quattro binari di transito nel piano interrato viene utilizzata sia per il servizio metropolitano sia per i treni rapidi, alcuni espressi e merci rapidi e treni derrate che da Roma sono destinati a sud di Napoli e viceversa. Sull'ampia piazza che si è resa disponibile con la copertura della stazione di Piazza Garibaldi, dal fabbricato frontale si dirama una serie di pensiline che consentono ai viaggiatori di raggiungere i mezzi pubblici di trasporto, le autopubbliche e posteggi. Infine un tapis roulant collega nel piano interrato la stazione di Napoli Centrale con quella della Ferrovia Circumvesuviana, che svolge importanti servizi suburbani attorno a Napoli.
Per quanto riguarda le stazioni merci e gli scali di smistamento v'è da segnalare una più spinta automazione nelle operazioni di smistamento dei treni di selezione e manovra dei carri. Si è estesa anche l'utilizzazione delle casse mobili (containers); terminali FS con adeguata attrezzature sono stati costruiti a Milano Rogoredo, Napoli Traccia, Pomezia, Bologna Ravone e Torino Dora; sono pure in servizio un terminale privato a Torino S. Paolo, Torino Smistamento, Milano Smistamento, Candiolo, Rivalta Scrivia, Bologna Corticella e Montale-Agliana nonché terminali portuali a Genova, La Spezia, Livorno, Napoli Marittima, Brindisi, Ravenna, Venezia Marittima e Trieste. È in fase di avanzata progettazione un terminale privato a Bari Torre a mare. Vedi tav. f. t.
Andamento del traffico viaggiatori e merci sulla rete FS.
Nella tab. 4 è indicato l'andamento del traffico viaggiatori dal 1968 al 1976; in ordine sono riportati il numero in milioni di viaggiatori paganti, il percorso medio in km e il prodotto di tali due grandezze, cioè il numero in milioni di viaggiatori•km. Nella tab. 5, invece, è rappresentato l'andamento del traffico merci; sono indicati i milioni di tonnellate di merci trasportate per conto pubblico, il percorso medio in km per tonnellata e il prodotto di tali due grandezze.
Bibl.: De Caire, Locomotive quadri-courant CC40100 avec bogie monomoteur et puissance de 5000 KW de la SNCF, in Chemins de Fer, n. 246, 1964; M. Manzo, Prove a più di 200 km/h del nuovo materiale rotabile progettato dalle FS, in Ingegneria Ferroviaria, n. 10, 1964; A. Kniffer, La locomotive série EO3 des chemins de fer Fédéraux Allemands conçue pour une vitesse de 200 km/h, in Bull. mens. de l'Association Internationale du Congrès des Chemins de Fer (AICC), XLII, n. 10, 1965; D. S. Armstrong, Linear motor appliance to transports, in Railway Gazette, 123, n. 4, 1967; C. Tietze, L'équipment électrique des locomotives polycourants E410 et 310 à couvertisseurs à thyristors, de construction AEG, in Bull. mens. de l'AICC, n. 6, 1967; G. Giovanardi, La corsa prova della locomotiva E444 dell'8 nov. 67, in Ingegneria Ferroviaria, n. 1, 1968; F. Nuvion, Le matériel moteur français pour la grande vitesse e J. Michaux, M. Laplaiche, Problèmes de freinage et de signalasation pour les trains à grande vitesse, in Bull. mens. de l'AICC, XLV, n. 2, 1968; Autori vari, Étude comparative de différent systèmes de quadruplement des voies sur la nouvelle ligne du Tokaido, ibid., XLV, n. 3, 1968; T. Hara e altri, L'aérodynamique des trains à grande vitesse; M. Ishizawa, N. Matsui, J. Otsuka, Description et resultats du bogie équipant les automotrices de la ligne du Tokaido; Y. Bau, H. Murayama, Y. Satou, Quelques problèmes concernant la voie et son entretien pour une exploitation de circulations aux grandes vitesse, in Bull. mens. de l'AICC, XLV, n. 4, 1968; G. Giovanardi, Puissances nécessaires. Rames automotrices ou trains remorqués. Charges remorquables par locomotives, ibid., XLV, n. 6, 1968; G. Giovanardi, I problemi connessi alle alte velocità per i mezzi di trazione elettrica, in Elettrotecnica, LV, n. 12, 1968; D. Caire, Locomotives électriques CC6500 e CC21000 de la SNCF, in Chemins de fer, n. 276, 1969; D. Caire, Les premiers essais des locomotives électriques CC6500 et CC21000 de la SNCF, ibid., n. 277, 1969; Sookawa, Yasukawa, Jude, Tests of an experimental induction linear motor, in Quarterly report railway, technical research institute, giugno 1969; E. Remy, Prospective et moteur linéaire; E. Remy, M. Victorre, Applications du moteur linéaire, in Revue générale de l'electricité, aprile 1969; M. Tessier, Les recherches sur le liaisons intervilles à très grande vitesse aux Etats-Unis; J. Ph. Bernard, Mission au Japon; P. Boissonade, Mission "Caténaire-pantographe" au Japon et aux SUA, in Revue générale des Chemins de Fer, nov. 1969; W. Teich, Elektrische Leistungsübertragung ETR, in Eisenbahntechnische Rundschau, nov. 1971; G. Giovanardi, Congresso internazionale delle ferrovie elettriche 1971: la tecnica oggi e domani, in Ingegneria Ferroviaria, n. 2, 1972; G. Senac, l'expérimentation du turbotrain TGV 001, in Revue générale des Chemins de Fer, genn. 1973; A. Cossié, Le hacheur en traction éléctrique à courant continu; Les hacheurs à la SNCF. Réalisations expérimentales, ibid., genn. 1973; A. Coissé, Compte rendu d'essais et de mesures à la SNFC sur des engins de traction équipés de hacheurs; C. Hennebert, Essais et mesures de perturbations dues à une motrice à hacheur de courant, in Revue générale de l'Electricité, apr. 1973; M. Gaudichon; Emploi des thryristors en traction éléctrique; R. Boileau, Le freinage éléctrique des engins de traction; P. Romestain, Expérimentation par la SNCF d'un patin à courants de Foucoult, ibid., maggio 1973; T. Ohyama, Some problems of the fundamental adhesion at higher speeds, in Quarterly report railway technical research institute, vol. 14, n. 4, 1973; G. Giovanardi, L. Pascucci, Prospettive per l'impiego del nuovo sistema di trazione a 6 kV cc, sulla Rete FS già elettrificata a 3 kV, in Ingegneria Ferroviaria, n. 2, 1974; P. Pouillet, Frein électromagnétique à courants de Foucault, in Revue générale des Chemins de Fer, marzo 1974; W. Teich, A report on progress in the development of three-phase transmission, in Rail engineering international, giugno 1974; P. Winter, Evaluation of the three-phase asynchronons-motor as the traction motor of the future for 16 2/3 Hz electric traction by SBB; W. U. Bohli, M. Brechbuhler, Performance of experimental inverter locomotive class Be 4/4 N 12001 of Swiss Federal Railways, in Rail engineering international, genn. 1975; A. Portefaix, Finalités de l'automotrice Z 7001; R. Boileau, Description de l'engin d'expérimentation; G. Sénac, Thèmes et réalisation des essais, in Revue générale des Chemins de Fer, febbr. 1975.