It’s All About Steam.

Eeuwenlang heeft de mens geprobeerd de mechanische kracht van warmte en water te benutten. Al in 200 v. Chr. beschreef Hero van Alexandrië in zijn Pneumatica een apparaat dat een Aeolipile werd genoemd en dat als de eerste stoommachine werd beschouwd. Een bal met water werd boven een ketel geplaatst en terwijl deze verhitte, schoten twee uitstekende gebogen buizen stoomstoten uit, waardoor de bal begon te draaien. In de eeuwen daarna werden veel van dergelijke apparaten ontworpen toen wetenschappers de beginselen van hydraulica, pneumatiek en de eigenschappen van gassen bestudeerden, maar deze apparaten verrichtten geen echt werk. Pas in de 18e eeuw veranderde de stoommachine in Groot-Brittannië niet alleen het gezicht van de industrie, maar ook de verhouding van de mens tot werk en samenleving.

Hoe een Newcomen machine werkt

Water wordt gekookt om stoom te creëren die een zuiger in een cilinder omhoog duwt. De zuigerstang is bevestigd aan een dwarsbalk en terwijl de zuiger omhoog gaat, trekt het gewicht van een pompstang die aan het andere uiteinde van de balk is opgehangen, naar beneden. Wanneer de zuiger de top van de cilinder bereikt, wordt een waterstraal in de zuigercilinder gespoten waardoor de stoom condenseert en de zuiger weer naar beneden wordt gezogen. Het koelwater loopt weg en de cyclus herhaalt zich tot in het oneindige.

In 1712 onthulden Thomas Newcomen en zijn assistent John Cally de eerste commercieel levensvatbare stoommachine. De Newcomen atmosferische machine gebruikte stoom om een pomp aan te drijven. Hoewel hij niet erg efficiënt was, werden honderden van deze machines gebruikt om water uit Britse kolenmijnen en overstroomde gebieden te pompen.

In de late 18e eeuw verbeterde James Watt, de man die uiteindelijk de vader van de stoommachine zou worden genoemd, de efficiëntie van de stationaire machine aanzienlijk toen hij patent aanvroeg op een “dubbelwerkende” machine die stoom onder hoge druk aan beide kanten van de zuiger gebruikte om het vermogen te verdubbelen. Zijn patenten omvatten ook hulpapparatuur zoals drukmeters, smoorkleppen en stoomregelaars. In samenwerking met fabrikant Matthew Boulton waren Watt’s verbeteringen en uitvindingen de motor van de industriële revolutie.

Volgens Watt’s verbeteringen probeerden veel uitvinders de stoommachine aan te passen voor transportmiddelen over land en water. Het bereiken van stoomkracht zou, voor het eerst in de geschiedenis, de mens in staat stellen zich over land te verplaatsen met een snelheid die sneller was dan die van het gedomesticeerde paard.

Trevithick’s Tramroad Locomotive

In 1802 vroeg Richard Trevithick patent aan op een “hogedrukmachine” en creëerde daarmee de eerste door stoom aangedreven locomotief op rails. Trevithick schreef op 21 februari 1804, na de proef met zijn hogedruklocomotief, dat hij “tien ton ijzer, vijf wagons en 70 man…over 9 mijl…in 4 uur en 5 mint.” had vervoerd. Hoewel het een moeizaam klinkende reis was, was het de eerste stap op weg naar een uitvinding die de relatie van de mens tot tijd en ruimte volkomen zou veranderen.

George Stephenson en zijn zoon, Robert, bouwden de eerste praktische stoomlocomotief. Stephenson bouwde zijn “reizende locomotief” in 1814, die werd gebruikt om kolen te vervoeren in de mijn van Killingworth. In 1829 bouwden de Stephensons de beroemde locomotief Rocket, die gebruik maakte van een ketel met meerdere buizen, een praktijk die in de opeenvolgende generaties stoomlocomotieven werd voortgezet. De Rocket won de wedstrijd op de Rainhill Trials die werden gehouden om de vraag te beantwoorden of het het beste was om wagons over rails te verplaatsen door vaste stoommachines met een katrolsysteem of door locomotief-stoommachines te gebruiken. De Rocket won de prijs van 500 pond met zijn gemiddelde snelheid van 13 mijl per uur (zonder een lading te trekken haalde de Rocket snelheden tot 29 mijl per uur) en versloeg daarmee Braithwaite en Erickson’s Novelty en Timothy Hackworth’s Sans Pareil. De Stephensons namen elementen in hun machines op die in de volgende generaties stoommachines werden gebruikt.

Stephenson’s Patent Locomotive Engine

Hoewel de eerste locomotief die op een Amerikaanse spoorlijn reed de Stourbridge Lion was, gebouwd in 1828 en geïmporteerd uit Engeland door Horatio Allen uit New York, werden de Britse locomotieven niet dominant op de Amerikaanse spoorwegen omdat ze te zwaar waren voor de relatief lichte en vaak ongelijke Amerikaanse sporen. In feite werd de Lion al snel gedegradeerd tot een stationaire stoomlocomotief.

Amerikaanse uitvinders en ingenieurs hadden een parallelle koers gevolgd met de Britten en al in 1812 had John Stevens een petitie ingediend bij het Congres om een nationale spoorlijn te steunen. Hij had ook de eerste Amerikaanse stoomlocomotief gebouwd in 1825. Het was een locomotief met meerdere buizen en reed op een cirkelvormig demonstratiespoor op zijn eigendom in Hoboken, New Jersey. Hoewel hij er niet in slaagde financiële steun te krijgen voor een nationale spoorweg of voor zijn locomotief, stichtte Stevens later een van Amerika’s eerste spoorwegen, de Camden & Amboy Railroad.

Peter Cooper’s Tom Thumb, gebouwd in 1830, was de eerste Amerikaanse locomotief die een passagierswagon op een spoorlijn trok. Hoewel hij klein was, was hij krachtig genoeg om de directeuren van de Baltimore and Ohio Railroad te overtuigen van de praktische toepassing van de stoomlocomotief.

Best Friend of Charleston

De onderscheiding van de eerste die een treinwagon over een Amerikaanse spoorlijn in geregelde dienst trok, gaat naar de Best Friend of Charleston in 1831. De Best Friend, ontworpen door E.L. Miller en gebouwd in New York, deed bijna zes maanden dienst totdat de ketel ontplofte toen een arbeider, die geïrriteerd was door het geluid van de sissende stoom, een veiligheidsklep dichtsloeg.

In 1831 richtte Matthias Baldwin ook de Baldwin Locomotive Works op. Zijn tweede stoomlocomotief, de E.L. Miller, werd het prototype van waaruit latere machines zich ontwikkelden. Tegen het einde van de 19e eeuw werd het bedrijf van Matthias Baldwin de grootste eenheidslocomotiefbouwer ter wereld en domineerde de markt gedurende meer dan honderd jaar, met de productie van ongeveer 59.000 locomotieven.

De eerste locomotieven werden gebouwd met vaste wielen, die goed werkten op rechte sporen, maar niet zo goed in het bergachtige terrein van Amerika. Een Amerikaanse civiel ingenieur, John Jervis, ontwierp in 1832 de locomotief de Experiment, die was voorzien van een draaibare vierwielige geleidewagen, ook wel “draaistel” genoemd, die het spoor kon volgen en de locomotieven in staat stelde over spoorwegen met krappe bochten te rijden.

Locomotive America gebouwd door de Grant Locomotive Works, uit Paterson, N. J., voor de Parijse Expositie van 1867, een standaard Amerikaanse 4-4-0 locomotief uit het midden van de 19e eeuw.

De loods, of “koeienvanger”, was uniek voor Amerikaanse locomotieven. De spoorlijnen waren niet omheind en de spoorwegmaatschappijen waren verantwoordelijk voor eventuele schade door een botsing met een dier, waardoor een locomotief kon ontsporen. De John Bull, omstreeks 1833, was een van de eerste locomotieven in Amerika die werd uitgerust met een dergelijk apparaat om obstakels van het spoor te verwijderen. Al snel werden piloten standaardtoestellen voor Amerikaanse locomotieven.

Locomotieven konden op een aantal manieren worden geconfigureerd, gecategoriseerd aan de hand van de wielopstelling van het voorste draaistel, de drijfwielen, en het volgwiel. De 4-4-0 configuratie (d.w.z. vier wielen op het voorste draaistel en vier drijfwielen, zonder sleepwagen) werd het meest gebruikt in de V.S. en werd bekend als de Amerikaanse standaard. De locomotieven die elkaar op Promontory Summit ontmoetten, de Central Pacific’s Jupiter en de Union Pacific’s Engine No. 119, waren beide 4-4-0 locomotieven.

Amerikaanse fabrikanten produceerden locomotieven die qua capaciteit gelijk waren aan Britse motoren, maar tegen lagere kosten. Hoewel de Amerikaanse locomotieven rijkelijk versierd waren met duur koperwerk en de arbeidskosten hoger waren dan in Groot-Brittannië, drukten de Amerikaanse fabrikanten de kosten door voor veel onderdelen minder duur gietijzer te gebruiken in plaats van smeedijzer. De Amerikaanse spoorwegen gebruikten aanvankelijk locomotieven die uit Groot-Brittannië waren geïmporteerd, maar tegen het einde van de 19e eeuw was Amerika een belangrijke producent van locomotieven en had het meer dan 2.900 locomotieven geëxporteerd.

Het is niet overdreven te stellen dat stoomkracht en locomotieven in de 19e eeuw hetzelfde transformerende effect hadden als de computer in de 20e eeuw. Robert Thurston zei in zijn boek uit 1878 over de geschiedenis van de stoommachine dat het “overbodig zou zijn te proberen een opsomming te geven van de voordelen die de stoommachine de mensheid heeft gebracht, want zo’n opsomming zou een toevoeging zijn aan elk comfort en de schepping van bijna elke luxe die wij nu genieten”