Počas 20. storočia získal elektrický pohon na železniciach nezastupiteľné miesto. Zo všetkých tratí na svete je dnes elektrifikovaná asi štvrtina a dokonca až polovica celkovej svetovej železničnej prepravy sa obstaráva elektrickými lokomotívami. No a čo sa týka modelov, tam vyhrala elektrina na celej čiare.
Príbeh elektriny a železníc však nie je len príbehom elektrických lokomotív. Je to príbeh oveľa bohatší a začína sa oveľa skôr než na konci 19. storočia. Hlavnou úlohou elektriny v tomto príbehu nie je pohon vlakov, jej hlavnou úlohou je bezpečnosť ľudí vo vlakoch.
.dvaja mnísi
V roku 1745 vyšla v Erfurte kniha škótskeho benediktínskeho mnícha a profesora filozofie erfurtskej univerzity Andrewa Gordona Versuch einer Erklärung der Electricität. Gordon v nej opisuje množstvo pokusov s elektrinou, medzi nimi dva, v ktorých sa elektrina používa ako pohon nejakého mechanického zariadenia. Jedným z nich je dvojica zvončekov, z ktorých jeden sa nabije kladným a druhý záporným elektrickým nábojom. Medzi zvončekmi je kovové kladivko, ktoré môže udierať do každého z nich. Ak sa kladivko dotkne jedného zvončeka, nabije sa od neho a vzápätí je odvrhnuté (rovnaké náboje sa odpudzujú) smerom k druhému zvončeku. Keď doň udrie, tak ho jednak rozozneje a zároveň sa nabije na taký náboj, aký má tento druhý zvonček a vzápätí je odvrhnuté smerom k prvému zvončeku. A tak ďalej.
Druhé zo spomínaných zariadení je dodnes považované za prvý fungujúci elektrický motor. Išlo o malú vrtuľku s kovovými listami, umiestnenú medzi dvoma kovovými platňami, z ktorých jedna bola nabitá kladne a druhá záporne. Listy sa mohli jemne dotýkať platní, čím sa nabíjali (podobne ako kladivko v prípade zvončekov) a elektrostatickou silou bola potom celá vrtuľka roztáčaná.
Gordon bol geniálnym demonštrátorom rôznorodých možností využitia elektriny. Mnohé jeho experimenty boli naozaj spektakulárne. Keď chcel napríklad ukázať, že elektrina dokáže zapáliť lieh, nepriviedol elektrinu do nádoby s liehom pomocou kovových drôtov, ale pomocou vody. O pozornosť divákov potom už nemusel nijako zápasiť: všetkých určite zaujalo, keď zapálil lieh jednoducho tým, že naň nalial vodu. Dnes je Gordon takmer zabudnutý a jeho zvonček či motorček sú často neprávom pripisované Benjaminovi Franklinovi. Dôvodom tohto zabudnutia je zrejme fakt, že hoci jeho zariadenia presvedčivo ukazovali široké možnosti využitia elektriny, neviedli v tom čase k nijakým praktickým aplikáciám.
V roku 1746 zorganizoval opát kartuziánskeho kláštora v Paríži a prvý profesor experimentálnej fyziky na Sorbone Jean-Antoine Nollet pokus, ktorý v spektakulárnosti nijako nezaostal za tými Gordonovými. Dvesto mníchov rozostavil do kruhu s obvodom väčším ako kilometer, pospájal ich navzájom vodivými drôtmi a potom dva z týchto drôtov pripojil na batériu Leydenských fliaš (t. j. na súpravu kondezátorov slúžiacich na uskladňovanie statickej elektriny). Mnísi reagovali na kopnutie elektrinou výrazne a všetci naraz. Tým Nollet ukázal, že elektrina sa šíri extrémne rýchlo. Tento objav mal a má pre železnice oveľa väčší význam ako elektromotor.
.dva spôsoby
Ako sme už v tejto sérii písali, hlavnou výhodou železníc je kombinácia malého statického trenia, brzdiaceho vagóny, a veľkého statického trenia, poháňajúceho lokomotívy. Nevýhodou železníc je relatívne malé šmykové trenie. To spôsobovalo pomerne dlhé brzdné dráhy, ktoré bývali častou príčinou železničných nešťastí.
S búrlivým rozvojom železničnej dopravy v 19. storočí začal byť problém dlhých brzdných dráh čoraz naliehavejší. Na tej istej trati premávalo všade čoraz viac a viac vlakov, čím nebezpečenstvo zrážky prudko narastalo.
Prvým bezpečnostným opatrením bolo zavedenie striktných cestovných poriadkov. Toto jednoduché opatrenie dokázalo zabrániť mnohým, ale zďaleka nie všetkým nehodám. Druhým významným krokom bolo rozdelenie tratí na bloky, pričom na každom bloku sa smel nachádzať vždy len jeden vlak. Ale ako sa dá zistiť, či na danom bloku vlak je, alebo nie je? Príliš krátke bloky, pri ktorých by sa dalo dovidieť z jedného konca bloku na druhý, by boli nepraktické a neekonomické. Ale ak sú bloky pridlhé a zrak nám nedokáže dať rýchlu a spoľahlivú informáciu o prítomnosti či neprítomnosti vlaku na danom úseku, kto nám ju potom dá? Elektrina.
Základná myšlienka je extrémne jednoduchá. Oceľové koľajnice sú dobré vodiče, takže keď na jednu z nich pripojíme jeden pól a na druhú druhý pól batérie (alebo zdroja striedavého prúdu), potom ak niečo koľajnice vodivo spojí, začne nimi tiecť prúd. Nuž a keď ide po koľajniciach vlak, tak jeho oceľové kolesá a nápravy rozhodne predstavujú vodivé spojenie. Ak je teda vlak na koľajniciach, prúd tečie, ak tam nie je (a koľajnice nie sú spojené niečím iným), tak prúd netečie. Teraz už stačí len oddeliť koľajnice jednotlivých blokov nejakou izolujúcou vrstvou a tečenie či netečenie prúdu nám dáva jasný a prakticky okamžitý signál o prítomnosti či neprítomnosti vlaku v danom bloku. Na základe tohto signálu potom môžeme ovládať semafory, výhybky a mnohé ďalšie viac či menej automatické bezpečnostné prvky.
Elektrická signalizácia prítomnosti alebo neprítomnosti vlaku je jedným spôsobom kontroly priechodnosti alebo nepriechodnosti trate. Druhým spôsobom je priama komunikácia medzi ľuďmi, ktorá umožňuje odovzdávanie oveľa detailnejších informácií. Pred vynálezom elektrického telegrafu nebol na tento účel k dispozícii dostatočne rýchly a spoľahlivý komunikačný kanál. Tento vynález však všetko zmenil a búrlivo sa rozvíjal spolu so železnicou, pre ktorú bol skutočným požehnaním. V Nemecku bol telegraf popri železničnej trati vybudovaný už v roku 1835, v Amerike bol prvý komerčný telegraf vybudovaný o desať rokov neskôr tiež pozdĺž železničnej trate v Pensylvánii. Prvá správa odoslaná z jednej stanice do druhej znela: „Čo nič nepíšete, vy darebáci?“
.dva prejavy
Prečo sa elektrina nezačala vo veľkom využívať už v 18., ale až v 19. storočí? Pretože prakticky využiteľnou sa do značnej miery stala až po tom, čo sa vyjasnil jej súvis s magnetizmom. To, že elektrina a magnetizmus nie sú dve odlišné veci, ale dva prejavy jednej a tej istej veci, ktorej hovoríme elektromagnetizmus, patrí k najhlbším vedeckým objavom všetkých čias. A nielen k najhlbším, ale aj k najužitočnejším.
Objav elektromagnetického relé a elektromagnetickej indukcie znamenali pre aplikácie obrovský impulz.
Napriek tomu vnímame magnetizmus často len ako akéhosi chudobného príbuzného elektriny. Prejavuje sa to už v jazyku, konkrétne v slovách ako elektrifikácia, elektrotechnika, elektronika. Vo všetkých ide pritom o elektromagnetizmus, ale zdôrazňujeme len tú elektrickú časť. Ale čo sa týka železníc, tam to môže v bližšej či vzdialenejšej budúcnosti vyzerať práve naopak.
Magnetizmus má totiž potenciál totálne zmeniť železničnú dopravu. Takzvané maglevy, čiže magneticky levitujúce vlaky, sa od bežných vlakov líšia skoro vo všetkom podstatnom. Po prvé, nemajú kolesá. Zeme sa vôbec nedotýkajú, magnetické sily ich udržujú nad povrchom (čiže sú to v istom zmysle skôr lietadlá ako vlaky). Po druhé, ich motor sa úplne líši od motorov parných, dieselových či elektrických (musí sa líšiť, keďže tieto motory roztáčajú kolesá a maglev nijaké kolesá nemá). Ide o takzvaný lineárny motor a celá vec funguje skôr ako urýchľovač častíc než ako bežný motor. Nuž a po tretie, opotrebovanie takýchto vlakov v dôsledku trenia je prakticky nulové (keďže tam vlastne k nijakému treniu nedochádza).
Na svete sú momentálne dve fungujúce komerčné trate maglev, jedna v Šanghaji a druhá v japonskej prefektúre Aichi (vďaka sérii neuveriteľných náhod mal autor tohto článku možnosť niekoľkokrát sa previezť na tom japonskom magleve – základný pocit je, že je to čistý a tichý vlak). Ďalšie dve trate sa budujú, jedna v Pekingu a druhá v Soule. Budovanie maglevových tratí je drahšie ako stavba tradičných železníc, ale prevádzka je lacnejšia. Je preto celkom dobre možné, že budúcnosť železníc nie je ani tak v elektrických, ako v skôr magnetických prejavoch elektromagnetizmu.
Príbeh elektriny a železníc však nie je len príbehom elektrických lokomotív. Je to príbeh oveľa bohatší a začína sa oveľa skôr než na konci 19. storočia. Hlavnou úlohou elektriny v tomto príbehu nie je pohon vlakov, jej hlavnou úlohou je bezpečnosť ľudí vo vlakoch.
.dvaja mnísi
V roku 1745 vyšla v Erfurte kniha škótskeho benediktínskeho mnícha a profesora filozofie erfurtskej univerzity Andrewa Gordona Versuch einer Erklärung der Electricität. Gordon v nej opisuje množstvo pokusov s elektrinou, medzi nimi dva, v ktorých sa elektrina používa ako pohon nejakého mechanického zariadenia. Jedným z nich je dvojica zvončekov, z ktorých jeden sa nabije kladným a druhý záporným elektrickým nábojom. Medzi zvončekmi je kovové kladivko, ktoré môže udierať do každého z nich. Ak sa kladivko dotkne jedného zvončeka, nabije sa od neho a vzápätí je odvrhnuté (rovnaké náboje sa odpudzujú) smerom k druhému zvončeku. Keď doň udrie, tak ho jednak rozozneje a zároveň sa nabije na taký náboj, aký má tento druhý zvonček a vzápätí je odvrhnuté smerom k prvému zvončeku. A tak ďalej.
Druhé zo spomínaných zariadení je dodnes považované za prvý fungujúci elektrický motor. Išlo o malú vrtuľku s kovovými listami, umiestnenú medzi dvoma kovovými platňami, z ktorých jedna bola nabitá kladne a druhá záporne. Listy sa mohli jemne dotýkať platní, čím sa nabíjali (podobne ako kladivko v prípade zvončekov) a elektrostatickou silou bola potom celá vrtuľka roztáčaná.
Gordon bol geniálnym demonštrátorom rôznorodých možností využitia elektriny. Mnohé jeho experimenty boli naozaj spektakulárne. Keď chcel napríklad ukázať, že elektrina dokáže zapáliť lieh, nepriviedol elektrinu do nádoby s liehom pomocou kovových drôtov, ale pomocou vody. O pozornosť divákov potom už nemusel nijako zápasiť: všetkých určite zaujalo, keď zapálil lieh jednoducho tým, že naň nalial vodu. Dnes je Gordon takmer zabudnutý a jeho zvonček či motorček sú často neprávom pripisované Benjaminovi Franklinovi. Dôvodom tohto zabudnutia je zrejme fakt, že hoci jeho zariadenia presvedčivo ukazovali široké možnosti využitia elektriny, neviedli v tom čase k nijakým praktickým aplikáciám.
V roku 1746 zorganizoval opát kartuziánskeho kláštora v Paríži a prvý profesor experimentálnej fyziky na Sorbone Jean-Antoine Nollet pokus, ktorý v spektakulárnosti nijako nezaostal za tými Gordonovými. Dvesto mníchov rozostavil do kruhu s obvodom väčším ako kilometer, pospájal ich navzájom vodivými drôtmi a potom dva z týchto drôtov pripojil na batériu Leydenských fliaš (t. j. na súpravu kondezátorov slúžiacich na uskladňovanie statickej elektriny). Mnísi reagovali na kopnutie elektrinou výrazne a všetci naraz. Tým Nollet ukázal, že elektrina sa šíri extrémne rýchlo. Tento objav mal a má pre železnice oveľa väčší význam ako elektromotor.
.dva spôsoby
Ako sme už v tejto sérii písali, hlavnou výhodou železníc je kombinácia malého statického trenia, brzdiaceho vagóny, a veľkého statického trenia, poháňajúceho lokomotívy. Nevýhodou železníc je relatívne malé šmykové trenie. To spôsobovalo pomerne dlhé brzdné dráhy, ktoré bývali častou príčinou železničných nešťastí.
S búrlivým rozvojom železničnej dopravy v 19. storočí začal byť problém dlhých brzdných dráh čoraz naliehavejší. Na tej istej trati premávalo všade čoraz viac a viac vlakov, čím nebezpečenstvo zrážky prudko narastalo.
Prvým bezpečnostným opatrením bolo zavedenie striktných cestovných poriadkov. Toto jednoduché opatrenie dokázalo zabrániť mnohým, ale zďaleka nie všetkým nehodám. Druhým významným krokom bolo rozdelenie tratí na bloky, pričom na každom bloku sa smel nachádzať vždy len jeden vlak. Ale ako sa dá zistiť, či na danom bloku vlak je, alebo nie je? Príliš krátke bloky, pri ktorých by sa dalo dovidieť z jedného konca bloku na druhý, by boli nepraktické a neekonomické. Ale ak sú bloky pridlhé a zrak nám nedokáže dať rýchlu a spoľahlivú informáciu o prítomnosti či neprítomnosti vlaku na danom úseku, kto nám ju potom dá? Elektrina.
Základná myšlienka je extrémne jednoduchá. Oceľové koľajnice sú dobré vodiče, takže keď na jednu z nich pripojíme jeden pól a na druhú druhý pól batérie (alebo zdroja striedavého prúdu), potom ak niečo koľajnice vodivo spojí, začne nimi tiecť prúd. Nuž a keď ide po koľajniciach vlak, tak jeho oceľové kolesá a nápravy rozhodne predstavujú vodivé spojenie. Ak je teda vlak na koľajniciach, prúd tečie, ak tam nie je (a koľajnice nie sú spojené niečím iným), tak prúd netečie. Teraz už stačí len oddeliť koľajnice jednotlivých blokov nejakou izolujúcou vrstvou a tečenie či netečenie prúdu nám dáva jasný a prakticky okamžitý signál o prítomnosti či neprítomnosti vlaku v danom bloku. Na základe tohto signálu potom môžeme ovládať semafory, výhybky a mnohé ďalšie viac či menej automatické bezpečnostné prvky.
Elektrická signalizácia prítomnosti alebo neprítomnosti vlaku je jedným spôsobom kontroly priechodnosti alebo nepriechodnosti trate. Druhým spôsobom je priama komunikácia medzi ľuďmi, ktorá umožňuje odovzdávanie oveľa detailnejších informácií. Pred vynálezom elektrického telegrafu nebol na tento účel k dispozícii dostatočne rýchly a spoľahlivý komunikačný kanál. Tento vynález však všetko zmenil a búrlivo sa rozvíjal spolu so železnicou, pre ktorú bol skutočným požehnaním. V Nemecku bol telegraf popri železničnej trati vybudovaný už v roku 1835, v Amerike bol prvý komerčný telegraf vybudovaný o desať rokov neskôr tiež pozdĺž železničnej trate v Pensylvánii. Prvá správa odoslaná z jednej stanice do druhej znela: „Čo nič nepíšete, vy darebáci?“
.dva prejavy
Prečo sa elektrina nezačala vo veľkom využívať už v 18., ale až v 19. storočí? Pretože prakticky využiteľnou sa do značnej miery stala až po tom, čo sa vyjasnil jej súvis s magnetizmom. To, že elektrina a magnetizmus nie sú dve odlišné veci, ale dva prejavy jednej a tej istej veci, ktorej hovoríme elektromagnetizmus, patrí k najhlbším vedeckým objavom všetkých čias. A nielen k najhlbším, ale aj k najužitočnejším.
Objav elektromagnetického relé a elektromagnetickej indukcie znamenali pre aplikácie obrovský impulz.
Napriek tomu vnímame magnetizmus často len ako akéhosi chudobného príbuzného elektriny. Prejavuje sa to už v jazyku, konkrétne v slovách ako elektrifikácia, elektrotechnika, elektronika. Vo všetkých ide pritom o elektromagnetizmus, ale zdôrazňujeme len tú elektrickú časť. Ale čo sa týka železníc, tam to môže v bližšej či vzdialenejšej budúcnosti vyzerať práve naopak.
Magnetizmus má totiž potenciál totálne zmeniť železničnú dopravu. Takzvané maglevy, čiže magneticky levitujúce vlaky, sa od bežných vlakov líšia skoro vo všetkom podstatnom. Po prvé, nemajú kolesá. Zeme sa vôbec nedotýkajú, magnetické sily ich udržujú nad povrchom (čiže sú to v istom zmysle skôr lietadlá ako vlaky). Po druhé, ich motor sa úplne líši od motorov parných, dieselových či elektrických (musí sa líšiť, keďže tieto motory roztáčajú kolesá a maglev nijaké kolesá nemá). Ide o takzvaný lineárny motor a celá vec funguje skôr ako urýchľovač častíc než ako bežný motor. Nuž a po tretie, opotrebovanie takýchto vlakov v dôsledku trenia je prakticky nulové (keďže tam vlastne k nijakému treniu nedochádza).
Na svete sú momentálne dve fungujúce komerčné trate maglev, jedna v Šanghaji a druhá v japonskej prefektúre Aichi (vďaka sérii neuveriteľných náhod mal autor tohto článku možnosť niekoľkokrát sa previezť na tom japonskom magleve – základný pocit je, že je to čistý a tichý vlak). Ďalšie dve trate sa budujú, jedna v Pekingu a druhá v Soule. Budovanie maglevových tratí je drahšie ako stavba tradičných železníc, ale prevádzka je lacnejšia. Je preto celkom dobre možné, že budúcnosť železníc nie je ani tak v elektrických, ako v skôr magnetických prejavoch elektromagnetizmu.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.