Freno ferroviario ad aria compressa

Il freno ferroviario ad aria compressa permette al macchinista di frenare insieme, dalla locomotiva, tutti i veicoli di un treno. Una pompa a vapore comprime l’aria in un serbatoio, e una condotta che percorre tutto il treno la porta al cilindro del freno di ogni carro. Nella forma automatica, ogni veicolo ha un proprio serbatoio e una tripla valvola che stringe i freni appena la pressione nella condotta cala, anche se scoppia una manichetta o il treno si spezza in due. Samuel Cunliffe Lister brevettò in Inghilterra un freno ferroviario ad aria compressa nel 1848. Il brevetto di George Westinghouse del 13 aprile 1869 rese il freno ad aria utilizzabile nella pratica, e il suo freno automatico seguì pochi anni dopo.

Che cos’è

Un treno è pesante e le sue ruote fanno poca presa sulle rotaie, perciò gli serve molto spazio per fermarsi. Fino agli anni Settanta dell’Ottocento la maggior parte dei treni nordamericani si frenava a mano: i frenatori giravano un volantino in testa a ogni carro per stringere i ceppi contro le ruote, seguendo i fischi del macchinista, e sui treni merci lo facevano dal tetto dei carri in corsa. Un freno continuo fa lo stesso lavoro su tutti i veicoli insieme e si comanda da un solo posto.

Il freno ad aria usa per questo l’aria compressa. Sulla locomotiva, una pompa mossa dal vapore riempie un serbatoio principale, e il macchinista comanda i freni con un rubinetto. Una condotta generale passa sotto ogni veicolo da un capo all’altro del treno ed è collegata fra i carri da manichette flessibili di gomma. Ogni veicolo porta un cilindro del freno il cui stantuffo, tramite una timoneria di leve e tiranti, stringe ceppi di ghisa contro la superficie di rotolamento delle ruote. Nel freno automatico usato oggi dai treni, ogni veicolo ha anche una propria riserva d’aria, il serbatoio ausiliario, e una tripla valvola che collega condotta, serbatoio e cilindro.

Come funziona

Il primo freno di Westinghouse, chiamato poi freno diretto, mandava aria per frenare. Quando il macchinista apriva il rubinetto, l’aria del serbatoio principale correva lungo la condotta in tutti i cilindri e spingeva fuori gli stantuffi. Per allentare chiudeva il serbatoio e lasciava uscire l’aria dalla condotta, e delle molle riportavano indietro gli stantuffi. L’aria impiegava tempo a raggiungere gli ultimi carri di un treno lungo, e se scoppiava una manichetta usciva e il treno restava senza freni. Gli accoppiamenti delle manichette avevano valvole che si chiudevano da sole se i carri si separavano, così i freni già stretti restavano stretti. Se il treno si spezzava a freni allentati, i carri staccati dalla locomotiva non avevano aria per frenare.

L’aria che entra dietro lo stantuffo spinge fuori l’asta; quando la si lascia uscire, la molla la riporta indietro.

Il freno automatico funziona al contrario: è l’aria a tenere i freni allentati. Durante la marcia la condotta generale e tutti i serbatoi ausiliari restano carichi alla pressione di esercizio. La tripla valvola di ogni veicolo ha uno stantuffo che riceve da un lato la pressione della condotta e dall’altro quella del serbatoio ausiliario. Finché le due pressioni sono uguali, la valvola lascia passare lentamente aria dalla condotta al serbatoio per rabboccarlo e tiene il cilindro del freno aperto all’aria esterna, così i freni restano allentati.

Per frenare, il macchinista fa uscire un po’ d’aria dalla condotta. Dal lato della condotta di ogni tripla valvola la pressione scende sotto quella del serbatoio, e lo stantuffo si sposta verso la condotta. Muovendosi chiude il passaggio dalla condotta, chiude lo scarico del cilindro e apre un passaggio dal serbatoio al cilindro. L’aria immagazzinata sul veicolo entra nel suo cilindro e i ceppi stringono le ruote. Un piccolo calo di pressione dà una frenata leggera, uno più grande una frenata più energica. Per allentare, il macchinista riempie di nuovo la condotta. La pressione dal lato condotta supera quella del serbatoio, lo stantuffo torna indietro, il cilindro si svuota all’aria aperta e il serbatoio si ricarica.

Poiché i freni si stringono con un calo di pressione, tutto ciò che fa uscire l’aria dalla condotta ferma il treno: il rubinetto del macchinista, una manichetta scoppiata o le due metà di un treno che si separano.

Come si fa

Un modellino con un palloncino e un elastico mostra il principio del freno automatico: la pressione dell’aria tiene il freno allentato, e quando manca il freno stringe. Nel modellino il freno è stretto da un elastico; in un treno vero dall’aria immagazzinata su ogni veicolo. Servono una scatola da scarpe, un coperchio di barattolo di circa 8 cm di diametro, una matita, un bastoncino di legno, un blocchetto di legno, una puntina da disegno, una gomma per cancellare, un elastico robusto, un palloncino piccolo, circa 50 cm di tubicino di plastica, una siringa di plastica da 60 ml, una molletta a pinza, qualche pezzo di cartone, colla e nastro adesivo.

Mandando aria nel palloncino si solleva il freno; lasciandola uscire, l’elastico lo rimette.

Incollate un piccolo montante di cartone piegato sul fondo della scatola, vicino a un’estremità. Infilate la matita in una delle pareti corte della scatola, nel centro del coperchio e fino al montante, in modo che il coperchio giri liberamente all’interno. Incollate il blocchetto sul fondo della scatola accanto al coperchio e fissate il bastoncino sopra il blocchetto con la puntina, perché possa basculare. Incollate la gomma sotto un’estremità del bastoncino in modo che poggi sul bordo del coperchio, e agganciate l’elastico fra quell’estremità e il fondo della scatola perché tiri la gomma sul bordo. Fissate bene il tubicino nel collo del palloncino con il nastro, mettete il palloncino sotto il bastoncino fra la puntina e la gomma, su una piccola pila di cartone, perché da vuoto tocchi appena il bastoncino, e portate il tubicino fuori dalla scatola fino alla siringa. Fate girare il coperchio con un dito: il freno lo ferma. Premete la siringa finché il palloncino si gonfia e solleva la gomma dal bordo, poi chiudete il tubicino con la molletta. Ora il coperchio gira libero. Staccate la siringa dall’estremità del tubicino chiuso dalla molletta, poi aprite la molletta, come se scoppiasse una manichetta: il palloncino si svuota e l’elastico frena il coperchio.

Storia ed evoluzione

Prima del freno ad aria, i frenatori sui tetti giravano un volantino su ogni carro per stringerne i freni.

In Inghilterra, nel 1848, Samuel Cunliffe Lister di Bradford brevettò un freno ferroviario azionato dall’aria compressa. Pompe mosse dagli assi di una carrozza comprimevano l’aria in una camera sotto il telaio, e il capotreno, agendo su alcune valvole, lasciava che quell’aria spingesse uno stantuffo il cui stelo premeva i ceppi contro le ruote. Il brevetto di George Westinghouse per il freno diretto, numero 88.929, fu concesso il 13 aprile 1869, e fu il suo freno a essere adottato dalle ferrovie. La Pennsylvania Railroad provò il freno e decise nel 1870 di montarlo sui suoi treni viaggiatori, e altre compagnie la seguirono. Westinghouse diede poi a ogni veicolo una propria riserva d’aria: il suo freno automatico dei primi anni Settanta aggiungeva a ciascuno un serbatoio ausiliario e una tripla valvola, così che un treno che si spezzava si frenava da solo.

I treni viaggiatori adottarono il freno per primi, i treni merci molto più tardi. Negli Stati Uniti, il Safety Appliance Act del 2 marzo 1893 obbligò le ferrovie del traffico fra Stati a far circolare dal 1° gennaio 1898 locomotive con freno servoassistito sulle ruote motrici e treni con abbastanza veicoli frenati perché il macchinista ne regolasse la velocità senza che i frenatori azionassero freni a mano. Il termine fu poi prorogato di due anni, fino al 1900. La stessa legge imponeva agganci automatici sui veicoli del traffico fra Stati.