tram e trasporto pubblico a Roma

Captazione di corrente

Come si è arrivati alla presa di corrente ad archetto

 

La trazione elettrica è come certi grandi fiumi, le sorgenti dei quali non sono e non saranno mai definibili con sicurezza, perdendosi in infiniti rivoli; per alcuni la prima applicazione dell'elettricità alla trazione è da attribuirsi ad un certo capitano F.A. Pirotsky, un russo probabilmente di origine serba che nell'agosto del 1880 presenta, in un parco di Pietroburgo, una specie di ferrovia elettrica in miniatura con alimentazione tra le due rotaie di corsa; l'esperimento segue alcune prove eseguite dallo stesso Pirotski nel 1874 con una linea lunga 3 km dal villaggio di Sestoretsk alla riva del fiume Neva.

In realtà, la prima applicazione pratica di trazione elettrica deve ritenersi opera del Siemens che, insieme al suo collaboratore Halske, il 3 maggio 1879 avvia l'esercizio di una linea lunga 300 metri nell'esposizione industriale di Berlino, con alimentazione a terza rotaia e ritorno della corrente attraverso le rotaie di corsa.

Ernst Werner Siemens (Lenthe [Hannover]1816-Berlino 1892), inventore e industriale, lasciò la scuola superiore per arruolarsi nell'esercito prussiano, dove studiò meccanica ed elettrotecnica presso il Kadettenanstalt, la scuola militare dei cadetti prussiani; lasciata, verso il 1845, la carriera militare, si dedicò al perfezionamento di macchine ed apparecchi elettrici specializzandosi dapprima in telegrafia e fondando, insieme a Johann Georg Halske (1814-1890) la Telegraphen Bauanstalt Siemens & Halske (1847). Si dedicò successivamente ad invenzioni in ogni campo in elettrotecnica ed a lui si deve l'applicazione pratica del principio di autoeccitazione delle dinamo (1877) che rese possibile la costruzione di grandi generatori a corrente continua; costruì anche il primo ascensore elettrico in Europa (1880). Per i meriti acquisiti nel campo dell'industria ricevette dal Kaiser, nel 1888, lo stato nobiliare, col che si chiamò sempre, in seguito, Werner von Siemens. Nel 1903 la ditta si divise in Siemens & Halske per le costruzioni telegrafiche e telefoniche e, per fusione con la Schuckertwerke di Sigmund Schuckert (1846-1895), la Siemens-Schuckert per costruzioni elettromeccaniche. I suoi due fratelli Wilhelm e Carl fondarono le succursali risp. inglese e russa della Siemens e Halske, che diverranno poi ditte indipendenti.


Pirotsky, Siemens, Halske, Schuckert.


Una prima idea del Siemens per un sistema di captazione di corrente (da segnalare agli attuali inventori di sistemi innovativi).
Il cavo di alimentazione, indicato dalla freccia in figura, è sempre sotto tensione e appoggia, a riposo, su supporti isolanti;
la motrice lo innalza col sistema di pulegge indicato e preleva la corrente per il circuito di trazione (H. Martin).

Il Siemens, mirando soprattutto alla realizzazione di una ferrovia elettrica sopraelevata in Berlino, costruisce, due anni dopo, nel 1881, una linea lunga 2500 metri in Lichterfelde, un sobborgo di Berlino, dalla Anhaltischer Bahnhof (una stazione ferroviaria) alla scuola militare dei cadetti; in questo impianto, un po' incomprensibilmente, l'inventore utilizza l'alimentazione tra le due rotaie di corsa, ciò che obbliga ad isolare le ruote dagli assi e comporta notevoli soggezioni di esercizio. La tensione di alimentazione è di 180 V e il materiale rotabile consta al momento di una piccola vettura a due assi, dotata di un motore da 5,5 CV (una dinamo (nota 2) Siemens tipo D) azionante entrambi gli assi a mezzo di trasmissione a funi di acciaio. Nel 1889 le vetture in servizio diventano tre e su una vetturala trasmissione a funi è sostituita da una a catene. La linea soffrirà sempre a causa del tipo di alimentazione: la dispersione di corrente tra le due rotaie risulterà notevole e frequenti saranno i corti circuiti.

Si racconta che i ragazzini del luogo avessero imparato a provocare corti circuiti poggiando dei fili di ferro sulle due rotaie e sembra anche che prelevassero il materiale dalla protezione in fil di ferro montata ai lati della linea, protezione che finì un po' alla volta per scomparire; pare che si dovette arrivare a lasciare la linea normalmente senza alimentazione, inserendo la corrente solo al momento in cui una vettura dovesse mettersi in moto, a mezzo di una segnalazione che il conducente poteva dare al personale della centrale elettrica.


Vettura della Anhaltischer Bahnhof-Kadettenanstalt.

Da questo esperimento risulta comunque chiaro che per avere un servizio regolare occorre una presa di corrente semplice e sicura e in una successiva realizzazione, una linea lunga 2200 metri tra Charlottenburg e Spandau, due sobborghi di Berlino, il Siemens passa al primo sistema di presa di corrente su filo aereo. La linea aerea è costituita dai due fili, positivo e negativo, sospesi ad un'altezza opportuna, sopra i quali scorre un carrellino a due assi (quattro ruote) dal quale la corrente è portata alla motrice per mezzo di due fili; il carrellino o troller come verrà chiamato in America, è rimorchiato dalla vettura a mezzo di una fune. Il sistema non dà buona prova per la costante tendenza del troller a scarrucolare, costringendo ogni volta il conducente a salire sull'imperiale della vettura per rimetterlo a posto; oltre a ciò l'impianto della linea riesce costoso e complicato.


Vari tipi di troller, molto simili tra loro come disposizione costruttiva.
 In alto a sinistra il Siemens del 1883, a destra il tipo impiegato a Los Angeles dal Van Depoele; in basso altre proposte sempre del Siemens.
 Nel primo schema i fili di contatto F sono sostenuti, attraverso gli isolatori J, da mensole orizzontali; nel secondo sono sostenuti da mensole
ancorate al palo ancora attraverso isolatori (le due mensole, in ferro, restano pertanto sotto tensione). In entrambe le figure in alto
la parte destra mostra il carrello a due assi destinato a correre sulla linea trainato dalla vettura con una asta o una fune (H. Martin).

Pare che ad un certo punto si sia ricorso all'espediente di far stazionare, sull'imperiale di ogni vettura, un ragazzino che, munito di guanti isolanti in gomma, provvedeva a rimettere a posto il troller dopo ogni scarrucolamento.

In realtà, anche il troller è una invenzione americana (e non è noto come sia giunta al Siemens), dovuta a Leo Daft (1843-1922), un inglese che, trasferitosi in America, si dedicò, con alterna fortuna, alla costruzione di ferrovie elettriche. Il troller del Daft era, se possibile, ancor più cagionevole di quello provato dal Siemens, tanto che si racconta come un addetto alla linea che si era posto in mezzo al binario per fermare una vettura in arrivo, fosse colpito alla testa dal troller uscito dai fili per la brusca frenata. L'idea del Daft fu poi ripresa dal Van Depoele (vedi oltre) per un suo utopico progetto di linea tramviaria alimentata a 1400 V.

Alla fine del 1882 il Siemens passa ad una diversa disposizione, adottando un sistema che aveva provato, in via più o meno sperimentale, su una breve linea dimostrativa presentata all'esposizione industriale di Parigi nel 1881: due tubi in rame sono sospesi ad una conveniente altezza e collegati risp. al positivo e al negativo di alimentazione; ogni tubo è munito di una fessura lungo una direttrice e contiene al suo interno una navetta metallica che vi può scorrere a moderato attrito, tenuta in posizione da una molla; ogni navetta è collegata alla motrice con una fune di traino e un filo per portare la corrente. E' lo Schlitzrohrsystem, sistema a tubo scanalato, che nonostante la complicazione sembra dare risultati passabili e che sarà impiegato per le prime vere tramvie elettriche per servizio pubblico: la linea da Mödling a Hinterbrühl presso Vienna lunga 6,7 km (1883) e quella da Frankfurt (Main) a Offenbach lunga 6 km (1884); per entrambe le linee, a scartamento metrico, la tensione di alimentazione è 350 V e si utilizzano motrici ad un motore da 12,5 CV che permettono la velocità massima di 14 km/h, che sembra peraltro limitata solo dallo scartamento.

Il successo di queste due linee è mostrato dalla durata dell'esercizio fino al 1903 per la prima e fino al 1907 per la seconda. Una successiva applicazione dello Schlitzrohrsystem si avrà nel 1888 sulla linea Vevey-Montreux-Territet-Chillon, il primo tram elettrico in Svizzera, esercitato a 500 V con motrici ad imperiale, che resterà in servizio fino al 1902.


Lo Schlitzrohrsystem come applicato sulla Mödling-Hinterbrühl.
 Il tubo di rame F, costituente la linea di contatto, presenta una fenditura continua f (ved. dettaglio a sinistra)
nella generatrice più bassa; attraverso la quale l'organo di presa di corrente, costituito dalle quattro slitte N solidali tra loro,
penetra nel tubo ed è trascinato dalla vettura attraverso l'asta o la fune del trolley T e la slitta esterna S, quest'ultima solidale, tramite
le appendici h, alle slitte interne. Due molle m dovrebbero conferire una certa elasticità al sistema, mentre il conduttore flessibile C
porta la corrente al circuito di trazione (H. Martin).

Tuttavia, nonostante il risultato ottenuto con le linee citate, lo Schlitzrohrsystem appare di costruzione e manutenzione troppo onerosa e particolarmente complicati sono gli scambi, come è facile immaginare; la trazione elettrica in Europa resta quindi ferma a questo punto, fino a che la soluzione pratica della presa di corrente arriva, come molte volte è accaduto, dall'America, con la linea di contatto aerea.

L'idea di utilizzare un filo di contatto aereo unitamente ad una presa di corrente ad asta e rotella, questa premuta da molle contro il filo è di C.J. Van Depoele nel 1883.

Charles Joseph Van Depoele (Lichtervelde [Belgio] 1848-1892), elettrotecnico belga; si occupò dapprima di illuminazione elettrica, passando nel 1889 a Detroit (USA), dove fondò la Van Depoele Electric Manifacturing Co. per la costruzione di generatori elettrici e impianti di illuminazione, che confluì nel 1888 nella Thomson-Houston.

Il Van Depoele, che si era già cimentato, con scarso successo, nell'utilizzazione del troller, non si rende però conto dell'importanza della sua invenzione, che utilizzerà nel 1883 solo per due brevi linee presentate a Chicago; abbandona quindi l'idea del filo aereo per tornare a sterili esperimenti con il solito troller. In realtà, nonostante gli indubitati meriti che ebbe nel campo delle costruzioni elettromeccaniche, il Van Depoele era per così dire ossessionato da strane manie, ad esempio quella di volere i motori delle motrici elettriche montati in vista sulle piattaforme, onde permettere al conducente il costante controllo di collettore e spazzole (per la piattaforma posteriore sarà stato il fattorino a controllare il motore?).

L'applicazione pratica del sistema di Van Depoele si ha per merito dello Sprague con la costruzione di una linea tramviaria nella città di Richmond (Virginia): una linea di 20 km di binario esercitata da 40 motrici e alimentata da una stazione generatrice di 375 CV, una installazione di tutto rispetto per l'epoca, specie se comparata ai tentativi, spesso un po' ridicoli, del Siemens e dei suoi collaboratori tedeschi. Per la prima volta le motrici adottano i motori sospesi elasticamente tra sale e telaio e il trolley a rotella, inizialmente montato quasi verticalmente con una disposizione che non darà buoni risultati e sarà merito di un disegnatore, certo Eugene Pommer, l'aver dato al trolley l'usuale forma di asta inclinata e imperniata alla base, premuta contro il filo da molle, invertibile con facilità per il cambio del senso di marcia della vettura.

Nel maggio 1887 lo Sprague conclude un accordo con la Richmond Union Passenger Railway per la costruzione di una linea utilizzando un binario precedentemente costruito, sembra, per una linea a cavalli, in ogni caso in pessime condizioni caratterizzato da tratti della pendenza del 10 per mille. Nonostante si trovi condizioni di salute non buone, Sprague, col valido aiuto di abili assistenti tra i quali il Pommer prima citato, riesce a completare dieci vetture che pone in servizio il 2 febbraio 1888 ed entro poche settimane completa il parco di 40 motrici. Le cose, naturalmente, vanno tutt'altro che lisce, in primo luogo per le pessime condizioni del binario, ma anche per una serie di inconvenienti ai collettori, alle spazzole ed alle trasmissioni ad ingranaggi insufficientemente lubrificate; a tutto ciò si aggiungono i disturbi provocati dal circuito di alimentazione alle comunicazioni telegrafiche e, successivamente, la perforazione di tubature di acqua e gas a causa degli effetti elettrolitici causati dalla corrente dispersa dal binario; tutto ciò richiederà un paziente lavoro di adattamenti e modifiche per gli anni successivi. Una nota positiva è data dalla sottostazione di alimentazione la potenza della quale, largamente prevista da Sprague, permette una dimostrazione del sistema a certi tecnici della Boston's West End Railroad con l'avviamento quasi simultaneo di 22 motrici!

Il nuovo sistema acquista subito grande diffusione negli Stati Uniti, sulle linee elettrificate inizialmente dalla Sprague Electric Railway and Motor Company e successivamente dalla General Electric, sempre secondo i brevetti Sprague.


Se qualcuno sosteneva che la presa di corrente a rotella non era adatta alla captazione
di elevate intensità di corrente... (treno merci su interurban, U.S.A. 1914).

La presa di corrente ad asta e rotella giunge anche in Europa, mettendo in seria difficoltà la Siemens in un momento di grande espansione delle reti tramviarie sul continente. In quel periodo il Siemens ha adottato la tattica di assumere giovani laureandi e diplomati per addestrarli quali successori della vecchia guardia che aveva iniziato a lavorare con Siemens stesso e con Halske, politica che, fra l'altro, appare pochissimo gradita allo stesso Halske attaccato come è ai vecchi sistemi e ai vecchi personaggi che ancora popolano l'officina.

Nel 1889, tra questi giovani capita, provenendo direttamente dalla Technische Hochschule, un certo Walter Reichel, subito assegnato al reparto trazione al momento diretto da due nomi noti nella storia della trazione elettrica, Carl Ludwig Frischen e Alexander von Philipsborn, con il compito di studiare un sistema di presa di corrente che utilizzi una linea aerea semplice e non necessitante di complessi scambi con parti mobili alle diramazioni e agli incroci.

Walter Reichel (1867-1937) divenne poi membro del consiglio direttivo della Siemens e professore di Ferrovie e applicazioni elettriche alla Technische Hochschule di Berlino. Fu nominato Geheimer Regierungsrat, Dr. Ing. Dr. Ing. h.c. ecc. e la ripetizione del "Dr. Ing." indicava che si era dapprima laureato in ingegneria, ricevendo poi una seconda laurea honoris causa, sempre in ingegneria.


Van Depoele, Reichel e Sprague, quest'ultimo in età giovanile.

Considerando diverse soluzioni, Reichel giunge alla conclusione che solo con un contatto strisciante sul filo si sarebbe potuto ottenere un funzionamento stabile con dispositivi non necessitanti di un esatto allineamento con il binario e quindi relativamente economici ma, quando sottopone la sua idea a Frischen, questi si mostra inorridito al punto di definire una proposta vergognosa quella di Reichel. Il quale non si lascia però scoraggiare dal parere di Frischen ed infine, con una appropriata serie di prove, dimostra al Siemens e agli altri che una sufficiente pressione dello strisciante sul filo può garantire una ottima captazione di corrente, almeno per l'intensità richiesta dalle vetturette di Lichterfelde. Il primo esperimento pratico del nuovo sistema di captazione di corrente si esegue nel sobborgo di Potsdam nell'agosto 1890 con una linea lunga 1200 metri; la presa di corrente è formata da due archetti entrambi in presa, sostenuti da un armatura montata sull'imperiale della vettura con l'interposizione di tasselli di gomma allo scopo di ammortizzare le vibrazioni provenienti dallo strisciante durante la marcia.


Una vettura dell'esperimento di Potsdam (da Glasers Annalen, 1879-1908)

Ogni archetto è costituito da un telaio rettangolare di 300x1400 mm in filo di ferro da 8 mm di diametro, imperniato alla base sull'armatura di sostegno; i telai premono sul filo di contatto con un angolo di circa 45° tramite molle a spirale e sono reversibili, in modo da orientarsi spontaneamente nel senso voluto all'inversione di marcia della vettura. La linea di contatto, posta a 4500 mm dal piano del ferro, è formata da un filo di acciaio a sezione rotonda da 5 mm di diametro sospeso con una certa poligonazione per distribuire il consumo dello strisciante. Il filo di contatto è sostenuto da pali in legno posti ad intervalli di 40 metri, che portano anche una linea di alimentazione in filo di rame.

E' interessante notare come in conseguenza del fatto che le vetture devono anche percorrere tratti di linea equipaggiati ancora con il vecchio sistema di presa di corrente tra le rotaie, ogni motrice risulti dotata di una dispositivo in forma di forchetta, posto sull'imperiale (A nella figura a sinistra), destinato ad azionare un commutatore posto su un palo. Ci permettiamo di dubitare del buon funzionamento di questo sistema di commutazione automatica tra rotaie e filo di contatto, che sarà soppresso nel 1893 quando la linea, prolungata nel sobborgo di Stieglitz, sarà completamente dotata di linea aerea... La linea resterà in funzione con le motrici originali fino al 1896 e, in parte convertita a scartamento ordinario e in parte sostituita da autobus, fino al 1930.

La presa di corrente ad archetto si dimostra di ottimo funzionamento soprattutto per la semplicità della linea aerea che utilizza, sopprimendo ad esempio la necessità dei complicati pezzi di guida occorrenti, a scambi e incroci, per la guida della rotella nel trolley ad asta. Meno soddisfacente, invece, il comportamento dello strisciante dal punto di vista elettrico, per gli archi che si hanno nella zona di contatto, fenomeno che col tempo tende ad esaltarsi per la formazione di piccoli crateri e il deposito di residui di fusione, fenomeno che sarà combattuto negli anni a venire in primo luogo con la sostituzione del rame al ferro nel filo di contatto e con l'impiego di materiali più teneri, come l'alluminio che dopo gli esperimenti condotti da Emil Hayn nel 1893 diverrà di uso generale nella costruzione dello strisciante. Nonostante i miglioramenti ottenuti, la presa di corrente ad archetto rimarrà sempre caratterizzata da un costante scintillio al punto di contatto, scintillio che anche se può piacere come elemento pittoresco del tram elettrico, darà spesso luogo a difficoltà per i disturbi provocati alle radiotrasmissioni. La figura sottostante è relativa al brevetto preso da Reichel e Philipsborn (il povero Frischen morirà di lì a poco) e mostra come gli originali criteri costruttivi della linea aerea per archetto si modificheranno nei successivi decenni.


Dal brevetto di Reichel e Philipsborn per una linea di contatto.

E' interessante notare come nel brevetto si tratti di entrambi i tipi di presa di corrente in riguardo al filo di contatto: a strisciante (fig. 4) e a rotella (fig. 3).

L'originale forma dell'archetto, con il telaio rettangolare imperniato direttamente sull'armatura di sostegno male si presta, però. a notevoli variazioni di altezza del filo di contatto, condizione all'atto pratico imposta dal passaggio della linea sotto archi di ponti, viadotti ecc. e per consentire una più ampia gamma di altezze del filo di contatto, l'archetto è subito modificato portandone in basso, all'altezza dell'imperiale, il fulcro; con ciò l'archetto Reichel si approssima molto agli archetti utilizzati sui tram fino ai nostri giorni. Questo tipo di archetto troverà la sua prima applicazione sulla rete di Genova, dove la linea aerea di una prima installazione si trova ad altezze variabili tra 5500 e 7000 mm, quest'ultimo valore ritenuto necessario per il passaggio delle processioni religiose; si noti, nell'immagine sottostante, l'impiego simultaneo di due archetti Reichel orientati nello stesso senso, disposizione che rimarrà in seguito utilizzata in molte applicazioni di tramvie extraurbane.


Archetto Reichel sulle tramvie di Genova.

La prima applicazione in larga scala dell'archetto Reichel si avrà sulla rete di Dresda nel 1893, impiegando un filo di contatto in rame da 8 mm di diametro. L'archetto originario di forma rettangolare aveva però la tendenza, in alcune circostanze, a sviare, per così dire, dal filo di contatto; fu quindi ben presto modificato dandogli una forma arrotondata, col che la presa di corrente tramviaria assume l'aspetto che manterrà fino alle sue ultime applicazioni, prima che l'uso del pantografo, iniziato in Germania negli anni Trenta, si estendesse alle reti europee (non però in Italia, dove sulla rete romana, come ben sappiamo, si andò avanti con l'archetto fino all'anno 2000).


Due disposizioni di archetto con base dotata di molle per permettere il rovesciamento dello stesso all'inversione del senso di marcia della vettura (H. Martin).


Vetture tramviarie a Dresda, con archetto Siemens (a sin.) e con archetto di tipo usuale (a destra);
un locomotore tranviario con due archetti.


Archetto Fischer su una motrice della rete di Glasgow.

Si noti che tutti i tipi di archetto fin qui, ed anche in seguito, impiegati in Germania e in altre nazioni dell'Europa centrale il trolley è imperniato alla base con possibilità di ruotare solo in un piano verticale, con il che all'atto dell'inversione del senso di marcia della vettura il trolley si orienta spontaneamente nel senso corretto, alzando, nel passaggio, il filo di contatto. Quest'ultima caratteristica sarà da molti ritenuta negativa, anche solo per il fatto che limita l'altezza minima del filo sul piano del ferro (il filo non può essere sollevato oltre un certo limite), e porterà all'introduzione degli archetti con la base che può ruotare attorno ad un asse orizzontale, con la ben nota disposizione adottata in tutte le reti tramviarie italiane dotate di presa di corrente ad archetto, nella quale lo stesso, per poter cambiare orientamento, deve essere dapprima abbassato, poi fatto ruotare attorno all'asse verticale fino ad assumere la posizione opposta simmetrica ed infine rialzato.


Presa di corrente ad archetto sulle tramvie di Rio de Janeiro (1912).


Da sinistra a destra: prese di corrente ad archetto in trazione metropolitana (Blankenese-Ohlsdorf, 1904) e ferroviaria (ferrovie svedesi); archetti orizzontali nell'esperimento di trazione trifase ad alta velocità (Marienfelde-Zossen, 1903) (da Glasers Annalen 1879-1908).

Note.

  1.  Il contenuto di questo articolo è in parte ricavato da un articolo di Jury Leonid Koffman, pubblicato sulla rivista Modern Tramway nel 1960. Il Koffman fu l'ultimo studente laureatosi con Reichel in ingegneria elettrotecnica alla Technische Hochschule di Berlino. Le figure denotate con H. Martin sono ricavate da H. Martin, Production et distribution de l'énergie pour la tractìon électrique (1902).

  2.  A quell'epoca non si avevano ancora chiare le caratteristiche necessarie ad un generatore o ad un motore, ma si disponeva di un'unica macchina, la dinamo, che in virtù del principio di reversibilità delle macchine elettriche si utilizzava indifferentemente come generatore o come motore, con risultati il più delle volte non soddisfacenti. In tutta la letteratura tecnica di fine ottocento parlando di motori tramviari si dice quasi esclusivamente "dinamo". Fu lo Sprague ad esprimere chiaramente il concetto che "un motore è una cosa e una dinamo un'altra" e che entrambe le macchine vanno costruite con criteri ben distinti.


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rev. A 13/02/18