Pojazd napędzany parą wynaleziony w 1769 r. przez Nicolasa Josepha Cugnota

Narodziny parowozu

Za wynalazcę stacjonarnej maszyny parowej uważa się Jamesa Watta, który w 1763 roku udoskonalił atmosferyczny silnik parowy zbudowany wcześniej przez Thomasa Newcomena. Wszystko rozpoczęło się od tego wydarzenia. Narodziny parowozu były trudne i obfitowały w dramatyczne wydarzenia.

 

W miarę powstawania coraz doskonalszych silników parowych znaleźli się fantaści, którzy zaczęli myśleć nad zastosowaniem ich do napędu pojazdów. Bezpośrednim poprzednikiem lokomotywy parowej była konstrukcja Nicolasa Josepha Cugnota z 1769 roku. Ten francuski oficer postarał się w Ministerstwie Wojny Francji o zamówienie na ciągnik artyleryjski. Zainspirowany maszyną parową, stosowaną wówczas w kopalniach i fabrykach, ciągle doskonaloną przez Jamesa Watta, zapragnął zbudować pojazd napędzany siłą pary – podobny do konstrukcji opisanej już w 1663 roku przez angielskiego fizyka, astronoma i matematyka Izaaka Newtona. 

 

W 1769 roku zleceniodawcom został zaprezentowany wehikuł wyposażony w trzy koła i wielki kocioł. Podgrzana woda w kotle wprawiała maszynę w ruch na około 10 minut. Po tym czasie trzeba było ponownie rozgrzać wodę do dalszej jazdy. Zachęcony tym osiągnięciem, Cugnot umieścił pod kotłem palenisko, dzięki czemu pojazd jeździł dłużej z oszałamiającą prędkością 4 km/h. Niełatwo nim było jednak sterować, co stało się przyczyną pewnego incydentu. Podczas pokazu zorganizowanego dla wojskowych wyższej rangi wynalazek wymknął się spod kontroli i ruszył w stronę obserwatorów, wywołując panikę i przerażenie, a następnie uderzył w mur. Po tym wypadku zrezygnowano z kontynuowania prac, gdyż uznano wehikuł Cugnota za zbyt niebezpieczny. Wokół pojazdów parowych na dłuższy czas zapanowała cisza.

 

 

Rycina autorstwa J.E. Landera z 1855 r. przedstawia Jamesa Watta podczas pracy.
Nicolas Joseph Cugnot uruchamia skonstruowaną przez siebie maszynę parową – 1770 r.
Pomnik upamiętniający trójkę wielkich konstruktorów maszyn parowych: Jamesa Watta, Williama Murdocha i Matthew Boultona – Birmingham, Anglia

James Watt i inżynier William Murdoch zajmowali się również możliwością wykorzystania niskoprężnej maszyny parowej do napędzania pojazdu. Murdoch, który w 1786 roku wypróbował w miasteczku Redruth w Anglii swój wynalazek wyposażony w kocioł podgrzewany lampą spirytusową, również napotkał trudności. Rozgrzał kocioł w ustawionej na środku ulicy maszynie, ale nie zdążył w niej zasiąść. Jadący bez kontroli parowóz przeraził miejscowego pastora, który doznał tak silnego szoku, że zaraz potem zmarł.

 

Niebawem w warsztacie Murdocha pojawił się zdolny pracownik, Richard Trevithick, który stwierdził, że słabe ciśnienie w kotle nie wystarcza do napędu pojazdu i należy go dobrze uszczelnić, by podnieść ciśnienie do około trzech atmosfer. Próba dokonana w wieczór wigilijny 1801 roku przez Trevithicka zakończyła się niepowodzeniem. Parowóz, którym wraz z przyjaciółmi odbywał przejażdżkę, wywrócił się i wpadł do rowu. Nikt nie ucierpiał, nie uległa uszkodzeniu również maszyna, ale zdenerwowani wycieczkowicze zmienili plany i postanowili spędzić resztę wieczoru w pobliskiej gospodzie na suto zakrapianej kolacji. Pozostawiony w szopie parowóz spłonął.

 

W 1803 roku w Londynie Trevithick zbudował nową maszynę. Poruszała się ona sprawnie po ulicach z prędkością 12 km/h. Ze względu na to, że płoszyła konie i przerażała przechodniów, była bojkotowana przez mieszkańców i prasę.

 

Pracując w zakładach metalowych Penydarren w południowej Walii, Trevithick namówił ich właściciela, Samuela Homfraya, do zbudowania maszyny parowej, będącej w stanie zastąpić konie ciągnące wagoniki z towarami do odległego o 15 kilometrów Abercynon. Podczas inauguracyjnego przejazdu, który odbył się 22 lutego 1804 roku, zabrano pięć wagonów, 10 ton żelaza i 70 osób. Skład ciągnął pierwszy nadający się do eksploatacji parowóz z kołem zamachowym. Ciśnienie w kotle wynosiło już 4 atmosfery. Trasę o długości ponad 9 mil pokonano w 4 godziny i 5 minut. Parowóz Trevithicka odbył na tej linii wiele kursów, ciągnąc nawet 25-tonowe ładunki. Pod ciężarem 5-tonowego parowozu i ładunków, tor zbudowany z lekkich szyn zużywał się. Z kolei po zmniejszeniu ciężaru pojazd tracił przyczepność i nie nadawał się do jazdy. Stwierdziwszy, że utrzymanie linii wymaga dużych nakładów finansowych, Homfray wycofał parowóz i przywrócił trakcję konną.

 

Richard Trevithick udowodnił jednak, że gładkie koło na gładkiej szynie stalowej może dać odpowiednią przyczepność. Zaryzykował jeszcze raz – w 1808 roku – uruchamiając w Londynie, na zamkniętej trasie, nową kolejkę, nazywaną „Catch me who can” (łap mnie, kto potrafi). Był to okrężny tor kolejowy, na którym prezentował publiczności inny parowóz własnej konstrukcji. Amatorom niezwykłych wrażeń oferował za opłatą 1 szylinga krótką przejażdżkę pociągiem. Wpływy z biletów były jednak niskie, a ponadto po ulewnym deszczu zapadły się tory. W tej sytuacji Trevithick zamknął przedsiębiorstwo i porzucił zainteresowanie koleją.

 

Narodziny parowozu były więc trudne. Ciernistą okazała się również droga życiowa wielu pomysłodawców i konstruktorów. Napotykali oni nie tylko przeszkody techniczne, których nie potrafili pokonać, ale i niechęć im współczesnych, którym parowóz kojarzył się raczej z diabłem niż z geniuszem ludzkiego umysłu. Dwom ze wspomnianych konstruktorów zmagania te wynagrodziła historia. Nicolas Cugnot jest dziś uważany za twórcę pierwszego parowozu, a Richard Trevithick za konstruktora, który połączył w kolejce przemysłowej z 1804 roku lokomotywę z torem, zespalając dwa podstawowe elementy kolei.

 

 

Potrzeba matką wynalazku

 

Próby zbudowania i wprowadzenia do użytku parowozów nie były wynikiem urzeczywistniania fantastycznych pomysłów XVIII- i XIX-wiecznych konstruktorów. To rozwój przemysłu i handlu zwiększył zapotrzebowanie na nowe środki transportu. Już w XVIII wieku na ważniejszych szlakach budowano coraz więcej mostów, utwardzano i poszerzano drogi. Ulepszona sieć komunikacyjna stopniowo uniezależniała zakłady przemysłowe od szlaków wodnych. Rozwój fabryk sprzyjał powstawaniu dużych przedsiębiorstw przewozowych. Jedna z takich firm w Londynie dysponowała w tym czasie 3 tysiącami wozów konnych i zatrudniała 30 tysięcy pracowników. We Francji przedsiębiorstwa tego typu przewiozły w 1840 roku ponad 700 tysięcy osób.

Lokomotywa parowa skonstruowana przez Johna Blenkinsopa – 1811 r.

Problemem dla pierwszych parowozów był ich zbyt mały ciężar adhezyjny, zły stan szyn i nawierzchni, a ludzie, nie rozumiejąc tego, sądzili, że naturalne tarcie nie wystarcza i należy je sztucznie zwiększać. Rozwinięciem idei zmniejszania ciężaru lokomotywy było dodanie dodatkowej, karbowanej szyny, która miała służyć do napędzania maszyny. Autorem tego pomysłu był w 1811 roku John Blenkinsop. Jeszcze śmielsza wizja zakładała zainstalowanie specjalnych, naśladujących zwierzęcy chód mechanicznych łap, które miały nadawać lokomotywie odpowiedni ruch. Wehikuł taki skonstruował w 1813 roku William Brunton.

 

Żadne z tych rozwiązań nie odniosło jednak sukcesu. Powrócono zatem do porzuconej koncepcji korzystania z naturalnej przyczepności między kołem a szyną. Była to przede wszystkim zasługa Williama Hedleya, który przeprowadzonymi doświadczeniami wykazał, że warunkiem poruszania się pojazdów po gładkich szynach jest odpowiednio wielki nacisk na koła napędowe. Tak w 1813 roku powstał skonstruowany przez niego pierwszy funkcjonalny parowóz adhezyjny o nazwie „Puffing Billy”, używany aż do 1862 roku.

 

Niezależnie od Hedleya budową parowozów zainteresował się George Stephenson, wówczas maszynomistrz kopalń węgla w Killingworth. Zdołał on nakłonić zarząd firmy do rozpoczęcia prób z lokomotywą swojej konstrukcji. Po uzyskaniu pozwolenia zbudował w 1814 roku dwuosiowy parowóz adhezyjny z kołami o średnicy 914 mm. Silnik parowy był identyczny jak w lokomotywie Hedleya. Jednak z powodu kiepskiej charakterystyki cieplnej (niedostateczna powierzchnia grzewcza, pojedyncza rura płomienna, zbyt słaby ciąg kominowy – nadmiernie szeroki komin: 510 mm) nie osiągnięto satysfakcjonujących rezultatów.

 

Stephenson jednak nie zniechęcił się. Ośmielony wynikami Hedleya, w 1815 roku zbudował nowy parowóz, w którym koła, w celu zwiększenia adhezyjnej siły pociągowej, połączono początkowo sztywnymi łącznikami, a później łańcuchem. W następnej konstrukcji, z 1816 roku, Stephenson wprowadził resorowanie parowozu, omijając napęd za pomocą kół zębatych. To pozwoliło na zniesienie niebezpiecznych uderzeń spowodowanych nierównościami toru oraz na równomierne rozłożenie nacisku na koła.

 

Prawie każdy rok aż do 1829 przynosił nowe typy parowozów, nieróżniące się pod względem wartości od poprzednich. Podejmowane próby polepszenia charakterystyki cieplnej kotła okazały się bezcelowe, bowiem za pomocą jednej rury płomiennej niemożliwe było uzyskanie odpowiedniej powierzchni ogrzewalnej. Ponadto utrzymanie parowozu w ruchu, wskutek niedoskonałości części mechanicznych, wymagało ustawicznych i kosztownych napraw.

 

Fatalny wpływ na eksploatację miał również ówczesny stan szyn, wykonanych z krótkich, lanych sztab żelaznych. Tory te, nie mogąc utrzymać ciężkich pojazdów, ciągle się łamały i zwiększały tym samym koszty utrzymania ruchu. Ponadto nieproporcjonalnie wielka liczba styków zwiększała opory toczenia i nadwerężała – na skutek naprężeń dynamicznych – i tak niedoskonałe podwozia pojazdów.

 

Jednak mimo tych wielkich przeszkód i braków zainteresowanie kolejnictwem stale rosło. Przełomem okazał się 1820 rok, który przyniósł ludzkości epokowy wynalazek. Wówczas to John Birkinshaw, inżynier huty żelaza w Durham, wprowadził do eksploatacji szyny walcowane – znacznie dłuższe niż poprzednio odlewane. Znalazły one zastosowanie przy budowanej przez Stephensona w 1822 roku pierwszej większej linii kolejowej na trasie Stockton-Darlington, projektowanej głównie na potrzeby wywozu węgla z tamtejszego zagłębia do północnych portów angielskich.

 

Los sprzyjał George'owi Stephensonowi. Z powodu wysokich kosztów transportu węgla z zagłębia w Durham do Stockton nad Tess właściciele miejscowych kopalń stanęli przed widmem bankructwa. W 1821 roku utworzyli więc towarzystwo, którego celem miała być budowa kolei konnej do Stockton. Kierownictwo tego przedsięwzięcia powierzono Stephensonowi, aby oprócz trakcji konnej zastosował również lokomotywy parowe. W celu zapewnienia dostaw dla nowej linii w 1824 roku, Stephenson zbudował w Newcastle pierwszą na świecie fabrykę parowozów.

 

Kolejny przełom nastąpił we wrześniu 1825 roku, kiedy to Stephenson skończył budowę pierwszego parowozu dla nowej kolei. Pierwotnie nazwał go „Active” (ożywiony energią), lecz wkrótce zmienił nazwę na „Locomotion”.

 

27 września 1825 roku uroczyście otwarto mierzącą 19 kilometrów linię kolejową ze Stockton do Darlington. Data ta została uznana za symboliczny dzień narodzin kolei. Wtedy to po raz pierwszy w składzie pociągu znalazł się wagon pasażerski „Experiment”, którym podróżowali zaproszeni notable. Prowadzony przez Stephensona parowóz „Locomotion”, ciągnąc 80 ton ładunku węgla i mąki, pokonał trasę w ciągu 65 minut, osiągając na jednym z odcinków prędkość 39 km/h.

 

"Rakieta" zwycięża

Ilustracja upamiętniająca konkurs w Rainhill i przejazd parowozu „Rakieta”
Konkurs w Rainhill - przejazd parowozów „Niezrównana” i „Nowina”

Kiedy budowano kolej ze Stockton do Darlington, Stephenson zauważył, że nawet niewielkie wzniesienia znacznie zmniejszały prędkość parowozu, a małe spadki powodowały, że prymitywne hamulce stawały się bezużyteczne. Doszedł więc do wniosku, że tory powinny być ułożone na jak najbardziej poziomym podłożu. Wykorzystał tę wiedzę podczas pracy nad koleją Bolton-Leigh. W celu wyrównania trasy pociągu, zlecił wówczas wykonanie serii trudnych wykopów, nasypów i wiaduktów kamiennych.

 

Sukces Stephensona skłonił przedsiębiorców do budowy podobnej linii z Manchesteru do Liverpoolu. W pierwszym z tych miast sprawnie rozwijał się przemysł włókienniczy i górniczy, a obrót towarowy z portem w Liverpoolu przekraczał 1000 ton dziennie. Tymczasem towary przewożono w sposób tradycyjny i przykładowo transport bawełny zza oceanu trwał krócej niż przewiezienie jej z Liverpoolu do odległego o 56 kilometrów Manchesteru.

 

Dowiedziawszy się o projekcie budowy kolei, właściciele konnych i rzecznych przedsiębiorstw transportowych rozpętali na szeroką skalę kampanię antykolejową, angażując w nią prasę. Sprawa stała się tematem wielu burzliwych dyskusji w parlamencie angielskim.

 

Rozpowszechniano rozmaite, wręcz absurdalne plotki, w tym i takie, że sapiący i dymiący wehikuł wystraszy zwierzęta domowe (krowy stracą mleko, kury nie będą znosić jaj), w lasach wyginie zwierzyna, wzrośnie liczba poronień u kobiet, dym z lokomotywy tak przesłoni niebo, że nawet w dzień będzie ciemno, domom i lasom zagrozi pożar, a w przypadku wykolejenia się parowozu, nastąpi potężny wybuch kotła, który uśmierci tysiące ludzi i zmiecie z powierzchni ziemi okoliczne zabudowania.

 

Dlatego, gdy w 1826 roku w parlamencie z wielkim trudem forsowano projekt budowy linii kolejowej Manchester-Liverpool, mieszkańcy terenów, przez które miał przejeżdżać pociąg, wpadli w panikę. Odnotowano nawet groźne rozruchy, zdarzało się także, że przysłani do pracy robotnicy musieli salwować się ucieczką przed atakującymi ich mieszkańcami.

 

Wobec licznych wątpliwości zdecydowano się na ogłoszenie konkursu na zbudowanie najlepszych parowozów, które miałyby obsługiwać nową linię. Test praktyczny zorganizowano w Rainhill, gdzie przygotowany został specjalny tor o długości 2,8 kilometra. Każda z lokomotyw miała przejechać dziesięciokrotnie przed widzami zgromadzonymi na trybunach. Oceny technicznej oraz kontroli czasu przejazdu dokonywała komisja, w której skład weszli: John Kennedy, John Rastrick i Nicholas Wood – ówcześni znakomici znawcy kolejnictwa. Członkowie komisji mieli zadecydować o tym, komu przypadnie nagroda w wysokości 500 funtów szterlingów. Jednak to nie nagroda była najważniejsza dla uczestników konkursu. Zwycięzca miał zostać producentem i dostawcą parowozów dla nowo budowanej linii kolejowej.

 

W konkursie w Rainhill mogły wziąć udział wyłącznie maszyny spełniające następujące wymagania:

  • same wytwarzały parę;
  • ważyły nie więcej niż 6,1 tony;
  • ciśnienie w kotle nie przekraczało 3,5 atmosfery;
  • ciągnęły na wyznaczonym odcinku 20-tonowy pociąg z prędkością co najmniej 16 km/h;
  • miały nie więcej niż sześć kół;
  • wysokość komina nie przekraczała 4,5 metra;
  • koszt budowy parowozu nie mógł być wyższy niż 550 funtów szterlingów.

 

Szczegółowo opisane zostały również zasady przebiegu całego konkursu w Rainhill. Regulamin prezentował się następująco:

  1. Masa parowozu z pełnym kotłem będzie sprawdzana na wadze o godzinie ósmej rano; waga będzie sprawdzana trzykrotnie. Woda w kotle musi być chłodna, a w palenisku nie będzie żadnego paliwa. Tak samo będzie zważona taka ilość paliwa i wody, która według właściciela pojazdu ma wystarczyć na przebycie odcinka 35 mil [56 km]. Kiedy w palenisku zostanie rozpalony ogień, należy zanotować ilość zużytego paliwa i czas aż do momentu, gdy będzie wydostawać się para.
  2. Dodatkowy wagon na paliwo i wodę powinien być zważony i traktowany jako część masy parowozu.
  3. Te parowozy, które mają własne zbiorniki na paliwo i wodę, mogą je proporcjonalnie odjąć od swojej masy.
  4. Parowóz z doczepionymi wagonami powinien być podciągnięty do miejsca startu i gdy tylko para osiągnie ciśnienie pięćdziesiąt funtów na cal kwadratowy [345 kPa], wtedy parowóz może ruszyć.
  5. Parowóz musi pokonać za każdym razem odległość jednej i trzech czwartych mili [2,8 km], w tym po jednej ósmej [200 m] na końcach trasy dla rozpędzenia się, jak również dla zatrzymania, tak żeby parowóz z całym ładunkiem i pełną prędkością przejechał za każdym razem półtorej mili [2,4 km].
  6. Parowóz powinien przejechać wyznaczony odcinek dziesięciokrotnie, co będzie równoważne przebyciu trzydziestu pięciu mil [56 km]; z tego trzydzieści mil [48 km] będzie wykonanych z maksymalną prędkością, a średnia prędkość przejazdu nie będzie mniejsza niż dziesięć mil na godzinę [16 km/h].
  7. Jak tylko parowóz wykona swoje zadanie, które będzie równoważne podróży z Liverpoolu do Manchesteru, zostanie zaopatrzony w świeży zapas paliwa i wody; i jak tylko będzie gotowy, by ruszyć w dalszą drogę, powinien stanąć znowu na starcie i ponownie pokonać odcinek dziesięciokrotnie, co będzie odpowiadać podróż powrotnej z Manchesteru do Liverpoolu.
  8. Czas każdego przejazdu powinien być dokładnie zanotowany, jak również czas potrzebny do przygotowania, by wyruszyć w drogę powrotną.
  9. Jeżeli parowóz nie byłby w stanie zabrać wystarczającej ilości paliwa i wody na pokonanie wyznaczonej trasy, to czas poświęcony na uzupełnienie paliwa i wody powinien być zaliczony do czasu podróży.

Przejażdżka repliką „Rakiety” George'a Stephensona w National Railway Museum w Wielkiej Brytanii to prawdziwa atrakcja dla miłośników kolei
 
Ostatecznie w dniu konkursu, 6 października 1829 roku, na starcie stanęło pięć lokomotyw:
  • „Cyklop” („The Cycloped”) Thomasa Shaw Brandretha;
  • „Niezrównana” („The Sans Pareil”) Timothy'ego Hackwortha;
  • „Nowina” („The Novelty”) Johna Braithwaita i Johna Ericssona;
  • „Rakieta” („The Rocket”) George'a Stephensona;
  • „Wytrwałość” („The Perseverance”) Timothy'ego Burstalla.

Już podczas oględzin jury zdyskwalifikowało dwa parowozy. Okazało się bowiem, że wewnątrz trzytonowego „Cyklopa” umieszczono żywego konia! Natomiast „Wytrwałość” zużywała za dużo węgla i nie spełniała warunków rywalizacji (konstruktorowi przyznano 25 funtów szterlingów nagrody pocieszenia).

 

Parowóz „Niezrównana” prawie ukończył próby, choć pojawiła się wątpliwość, czy dozwolone jest, by mógł współzawodniczyć przy ciężarze własnym przekroczonym o 300 funtów (136 kg). Niemniej jednak przejechał osiem kursów, zanim roztrzaskał się cylinder. Po tym poważnym uszkodzeniu konstruktor nie zdołał już uruchomić maszyny w krótkim czasie. Pomimo tego niepowodzenia parowóz Hackwortha został kupiony przez kolej

Liverpool-Manchester, gdzie jeździł przez dwa lata, zanim wypożyczono go kolei Bolton-Leigh.

 

Ostatnią maszyną, która odpadła z konkursu, była „Nowina”, zbyt nowatorska jak na 1829 rok, lżejsza i znacznie szybsza niż inne konkurujące lokomotywy. Była niewątpliwie ulubienicą widzów. Niestety, po osiągnięciu w pierwszym dniu zawodów zaskakującej jak na owe czasy prędkości 28 mph (45 km/h), w kotle doszło do uszkodzenia rury, która nie mogła zostać naprawiona na miejscu w krótkim czasie. „Nowina” kontynuowała próby następnego dnia, osiągając już zaledwie 15 mph (24 km/h). Ponownie uległa awarii i została wykluczona z rywalizacji.

 

Jedynym parowozem, który oparł się przeciwnościom, była „Rakieta”. Stephenson doczepił do niej wagon z 30 pasażerami i przejechał wyznaczoną trasę, osiągając prędkość 45 km/h. Podczas każdej próby rywalki „Rakiety” zawodziły. Stephenson otrzymał 500 funtów szterlingów oraz kontrakt na produkcję lokomotyw dla kolei Liverpool-Manchester.

 

Replika parowozu „Adler” skonstruowanego przez George'a i Roberta Stephensonów w 1835 r. dla kolei niemieckich
Zarówno George Stephenson, jak później również jego syn Robert byli obdarzeni szóstym zmysłem i nadzwyczajnymi umiejętnościami w zakresie wprowadzania nowości. Większość innowacji technicznych w parowozie „Rakieta” została jedynie adaptowana. Przykładem może być chociażby użycie kotła płomieniówkowego z paleniskiem otoczonym wodą, co umożliwiło „Rakiecie” zwycięstwo w konkursie w Rainhill. Ten przełomowy wynalazek został opatentowany w lutym 1828 roku przez Marca Séguina we Francji. Niezależnie w Wielkiej Brytanii skonstruował go Henry Booth, sekretarz towarzystwa kolejowego Liverpool and Manchester Railway.

 

Stephensonowie spełniani wszelkie warunki zapewniające powodzenie: mieli wiedzę, zdolności oraz talenty mechanika, inżyniera, kupca i menadżera, własne pieniądze i fabrykę oraz wyczucie postępu technicznego, ale przede wszystkim charakteryzowali się wytrwałością, której zabrakło niestety Trevithickowi.

Wersja do druku Wersja do druku | Mapa witryny
© 2016 Całość praw autorskich - Antoni Bochen