Origine dello scartamento Tipi di scartamento Alta velocità Dilatazione termica dei binari Le giunzione delle rotaie Trattamento termico o stress termico
Vi siete mai domandati qual è la distanza tra le rotaie? La ragione fisica/ingegneristica? Un metro? Due metri?
Vi può sembrare banale. Vi assicuro che non lo è. Tuttora regna una gran confusione.
Non c’è un vero motivo tecnico.
Tutto è cominciato nel Regno Unito con le carrozze.
Esatto, con le carrozze trainate dai cavalli.
Origine dello scartamento
Le ruote delle carrozze per il trasporto delle persone e delle merci hanno causato nel terreno dei pericolosi ed ampi solchi che avrebbero fatto capovolgere i carri. Così si è pensato di fare del lastricato stradale. A lungo andare si sono create comunque scanalature a forma di binari.
La distanza di tali scanalature venne chiamata scartamento da un certo George Stephenson che è divenuto in seguito lo scartamento normale corrispondente a 4 piedi e 8 ½ pollici, pari a 1435 mm.
Tipi di scartamento
Fu poi la mancanza di regole comuni, uno standard internazionale, che portò a molte delle differenze esistenti, in quanto alcune reti misuravano lo scartamento in mezzeria, altre sui bordi interni e talvolta a fianco su quelli esterni.
Questo portò a reti ferroviarie con scartamenti inferiori ai 1435 mm in diverse larghezze, ma anche superiori che vengono chiamati:
- Scartamento largo
- Scartamento normale o standard
- Scartamento ridotto.
La maggior parte delle ferrovie del mondo: Europa occidentale e centrale, Stati Uniti d’America, Canada, Messico, Australia, Cina, Giappone, Argentina, Arabia Saudita, Israele, Marocco, Tunisia, Iran, Afghanistan (circa il 56% dei km) usano quello di 1435 mm, definito come scartamento normale.
Lo scartamento largo più usato è quello russo (1520/1524 mm) con il 18%; seguono con il 7-9% ciascuno gli scartamenti di 1000, 1067 e 1668/1676 mm.
Gli scartamenti ridotti variano da 400 mm fino a 900 mm.
Le reti a scartamento ridotto sono generalmente utilizzate in reti secondarie, in luoghi a bassa velocita e bassa inclinazioni delle rotaie: zone interne, montagnose, ad uso locale.
In Italia, per esempio, viene utilizzata sulle reti della Circumvesuviana e Circumetnea.
Possiamo dire che le ragioni tecniche dello scartamento ridotto risiedono nel fatto di poter progettare curve con raggio superiore rispetto a quanto sarebbe possibile nello scartamento standard, senza penalizzare eccessivamente la prestazione delle locomotive. Per esempio nei tratti montuosi.
Alta velocità
Per l’alta velocità si sarebbero potuto realizzare uno scartamento maggiore, magari legata alla velocità massima di esercizio. Questo avrebbe garantito una maggiore stabilità con un baricentro più basso che oscilla tra una lunghezza più ampia nello scartamento permettendo la percorrenza veloce anche in curve con inclinazioni più pronunciate.
Ma c’era un problema? La ridefinizione dello standard internazionale con relativo adeguamento di tutti i paesi. Una impresa difficile e costosa.
Si è preferito rendere il percorso più rettilineo.
Dilatazione termica dei binari
Le rotaie di un binario ferroviario sono costituiti da assi lunghi 12 metri misurati a -18 °C.
Tra un asse e l’altro è presente una intercapedine di 0,75 cm per compensare la dilatazione termica.
Alla temperatura di 32 °C si osserva che i due assi occupano interamente l’intercapedine fino a toccarsi. Questo significa ogni estremità della rotaia si allunga di 0,75/2 cm.
La lunghezza finale della rotaia sarà:
L = 12 + 0,0075 = 12,0075 metri.
La formula per calcolare la dilazione lineare è la seguente:
∆L = λ L0 ∆t
Dove λ è il coefficiente di dilatazione termica lineare.
Nell’acciaio vale 1×10-6
Infatti. λ = ∆L / L0 ∆t aa una differenza di 50°C (32 + 18)
λ = 0,0075/ 12 x 50 = 12,50 10-6
A temperature ambiente quindi si ha sempre questo spazio di intercapedine che genera quegli urti che udiamo quando le ruote del treno incontrano la feritoia.
Giunzioni delle rotaie
Qualora la dilatazione fosse del tutto impedita all’interno della rotaia nascerebbe una forza di compressione (se viene impedita la dilatazione) o di trazione (se viene impedita la compressione).
Nella realtà, le rotaie giuntate poste in opera subiscono una serie di resistenze che si oppongono alla dilatazione libera.
Il metodo più semplice, molto usato in passato prevede l’uso di piastre metalliche con 4 fori dette stecche di giunzione, poste a coppie lateralmente sul gambo delle 2 rotaie da unire e imbullonate mediante chiavarde di giunzione.
Con questi tipi di fissaggio sui punti di giunzione si creano comunque fastidiose vibrazioni e scossoni e rappresentano un punto di debolezza meccanica della rotaia. Oggi questo metodo viene utilizzato solo per costruzioni di linee e raccordi in grande economia, o mantenuto per forza maggiore su linee di vecchia costruzione.
Attualmente il metodo preferito è quello della saldatura alluminotermica che forma un sistema complesso definito lunga rotaia saldata.
Le lunghe rotaie saldate sono rotaie di lunghezza tale che la loro parte centrale non subisce movimenti per dilatazione o ritiro dovuti alle escursioni di temperatura giornaliere o stagionali; ciò è ottenuto con un forte serraggio degli organi di attacco delle rotaie alle traverse e per l’attrito delle traverse sulla massicciata.
Le lunghe rotaie saldate sulla rete nazionale hanno sviluppi anche di alcuni chilometri; alle loro estremità si montano particolari giunti di dilatazione che hanno lo scopo di compensare senza soluzione di continuità la dilatazione delle rotaie contigue.
Svantaggi:
- non può essere inserita su tracciati con raggi planimetrici inferiori a 300-400 m
- deve essere interrotta in corrispondenza di alcuni tipi di deviatoi, di giunti incollati (per il segnalamento) di ponti in ferro senza massicciata.
Trattamento termico
Il future delle rotaie è stato definito con le rotaie trattate termicamente.
A dire il vero non ho trovato nulla a questo riguardo sul web. Allora mi rifaccio al ricordo di una lezione di Meccanica alla facoltà di ingegnerie a San Pietro in Vincoli.
La dilatazione termica è dovuta alla agitazione molecolare del ferro sotto effetto di una sorgente di calore. Nel caso dei binari lo “sfogo” termico è lineare ed unidirezionale, che si ritrae al diminuire della fonte di calore.
Un paragone (improprio) è il caso di un elastico che sottoposto a trazione raggiunge la sua massima estensione per poi ritornare alla lunghezza originale dopo che è stata tolta la trazione. L’elastico in fase di allungamento è stato sottoposto ad uno stress meccanico.
L’idea è quella di mantenere l’acciaio in uno stato di stress termico calcolato fino al raggiungimento di una certa lunghezza da mantenere invariata. In tale modo la rotaia non può più deformarsi allungandosi ulteriormente. Questo può avvenire riscaldando il binario e raffreddarlo in maniera opportuna per mantenere questo stato di stress.
Il processo di trattamento termico prevede che la rotaia possa spostarsi attraverso una serie di forni a induzione dove un campo elettromagnetico alternato riscalda la rotaia molto rapidamente fino a circa 950°C.
Mediante aria compressa, la rotaia viene quindi raffreddata rapidamente, permettendo di ottenere una elevata durezza con una microstruttura a grana molto fine che offre un valore di dilatazione eccezionalmente elevato.
Con questo trattamento si possono ottenere rotaie anche di 100 metri.
Il risultato dei processi di raffreddamento e allineamento è un elevato stress residuo all’interno delle rotaie.
