Quali sono i tipi di profilo di rotaia più impiegati nel trasporto su ferro?

Il mezzo di trasporto su rotaia, per la sua particolare configurazione, spesso e volentieri nell’immaginario collettivo viene erroneamente considerato un sistema standardizzato ed omogeneizzato, che in tutte le zone del mondo e per tutte le tipologie di convogli ferroviari presenti sempre gli stessi elementi costitutivi. Niente di più sbagliato! Esistono, infatti, innumerevoli declinazioni diverse del sistema ferrovia: dallo scartamento (la distanza fra le rotaie del binario) alla tipologia di traversine tanto per dirne alcune. Una delle differenze più interessanti che si può osservare è quella relativa alla forma del profilo della rotaia stessa, che varia a seconda di periodo storico e tipologia infrastrutturale. Siete pronti a scoprirne di più? In tal caso, procediamo!

Le parti principali costituenti il profilo di una rotaia

Ma esattamente, cos’è una rotaia? Con questo termine si indica ciascuna delle guide di acciaio costituenti il piano su cui rotolano le ruote dei veicoli ferroviari e tranviari (chiamato comunemente binario). Dal punto di vista strutturale, la sezione di una rotaia presenta delle caratteristiche comuni a tutti i principali profili impiegati così nominate:

• superiormente una parte su cui rotolano le ruote dei convogli ferroviari e tramviari, chiamata fungo, che è la porzione di sezione che presenta le maggiori variazioni da profilo a profilo;
• centralmente una parte verticale, detta gambo, che al pari dell’anima di una trave consente la trasmissione dei carichi ferroviari e tramviari dal fungo alla sottostante suola;
• inferiormente una parte d’appoggio della rotaia sulle traverse, detta suola, solitamente più larga della suola in modo tale da ripartire in maniera ottimale il carico ferroviario uniformemente su traverse e ballast.

Il profilo della rotaia, prodotto in modo tale da presentare la suola ed il gambo rispettivamente orizzontale e verticale, nel caso ferroviario viene poi messa in opera con un’inclinazione verso l’interno avente una pendenza di 1/20 (all’incirca 2°). Questo particolare valore, che prende proprio il nome di ‘ventesimo’, ha una ben precisa funzione: consente infatti, nei tratti rettilinei, il richiamo al centro del binario delle ruote tronco-coniche degli assi dei veicoli che altrimenti andrebbero ad urtare alternativamente i bordini contro i fianchi delle rotaie con conseguente usura delle stesse.

Il profilo della rotaia agli albori della ferrovia

Sin dagli esordi del sistema di trasporto ferroviario, nel mondo anglosassone, le ruote dei convogli ferroviari si muovevano su un particolare profilo della rotaia realizzato in legno e caratterizzato da un sottilissimo strato superiore di copertura in materiale metallico. Questo tipo di profilo, chiamato strap-iron rails, ben presto si dimostra scarsamente prestazionale, fragile e di difficile manutenzione, e viene pertanto messo da parte.

Coi grossi passi avanti in Europa nel settore siderurgico e metallurgico, fra fine ‘700 ed inizio ‘800 si passa dall’impiego del legno all’utilizzo della ghisa, materiale più robusto e più adatto al mondo ferroviario; nascono in questo periodo innumerevoli profili delle rotaie considerabili i genitori di quelli attuali, quali la bullhead rail (rotaia a singolo fungo) e la double bullhead rail (rotaia a doppio fungo). Anche le rotaie in ghisa, purtroppo, risulteranno inadeguate a sopportare le sollecitazioni ferroviarie a causa della natura fragile del materiale costituente.

Il problema delle rotture delle rotaie si supera con l’impiego del ferro al posto della ghisa, materiale più resistente di quest’ultima ma anche più soggetto all’usura e ai fenomeni di rotture per fatica. Oltre al miglioramento delle caratteristiche dei materiali, si assiste nei primi decenni dell’800 anche ad un’ulteriore evoluzione del profilo delle rotaie, col progressivo abbandono dei profili a singolo e a doppio fungo in favore delle rotaie con suola larga.

Prima dell’entrata in scena di quest’ultimo profilo della rotaia, trovavano largo impiego i profili a doppio fungo (quale ad esempio lo Stephenson) montati per mezzo di cunei di legno duro entro apposite piastre di fissaggio a loro volta fissati su traversine di legno, in modo tale da limitarne le spese di manutenzione. Quando si usurava il fungo superiore queste rotaie venivano ribaltate e rimontate, in modo da sfruttare il fungo inferiore.

Il profilo tipo Vignole, il più utilizzato al mondo

La lista non può che proseguire col profilo della rotaia più impiegato al mondo: il profilo Vignole. Questo profilo prende il suo nome dall’ingegnere inglese Charles Vignoles che, seppure non ne sia il vero inventore, ha avuto il merito di introdurla per primo in Europa nel 1836, dopo averla notata negli Stati Uniti d’America dov’era impiegata da alcuni anni grazie all’intuito del colonnello americano Robert Stevens.

Per uno strano caso del destino, comunque, gli inventori del profilo tipo Vignole sono comunque gli inglesi: il colonnello Stevens, infatti, cercava una soluzione alle rotaie in legno, che presentavano una scarsa resistenza ai carichi ferroviari sempre più pesanti oltre che agli agenti atmosferici. Da qui, l’intuizione di impiegare il ferro al posto del legno per la realizzazione delle rotaie, servendosi però della tecnologia siderurgica e metallurgica anglosassone per questo obiettivo (in quanto il progresso statunitense in questo campo era molto limitato).

Le prime rotaie aventi questo tipo di profilo risalgono al Maggio 1831 (si diffonderanno poi rapidamente prima negli USA e poi in Europa), all’epoca queste presentavano una lunghezza di 4,5 m ed un peso di 16 kg al metro. Originariamente il materiale impiegato era piuttosto duttile, ma col tempo il progresso tecnologico ha permesso la realizzazione di migliori leghe, che hanno reso il profilo della rotaia Vignole sicuro ed affidabile.

Il profilo tipo Phoenix, tipico dei tram

Conosciuta anche col nome di rotaia di gola, è un tipo di rotaia frequentemente utilizzata nel trasporto tramviario a percorso promiscuo su strada urbana o extraurbana ed è diretta discendente del profilo tipo Demerbe. La caratteristica principale è che, a differenza degli usuali profili delle rotaie come quello Vignole, la parte superiore presenta una gola incavata sul lato interno della parte superiore nella quale scorrono le ruote dei tram.

Questa particolarità nel profilo del fungo della rotaia rispetto a quello classico risiede nel fatto che i tram, generalmente, percorrono lunghi tratti di linea all’interno dei centri abitati, condividendo la sede stradale con i veicoli su ruote. Essendo dunque annegate nell’asfalto o nel calcestruzzo, queste rotaie necessitano di una forma tale da contenere completamente la ruota del veicolo che la percorre senza la necessità di porre in opera controrotaie che renderebbero difficoltosa la circolazione degli autoveicoli rovinando inoltre il manto stradale.

Per sua natura questo tipo di rotaia presenta le forme più disparate, in quanto non di rado (specialmente in passato) alcune tratte tramviarie urbane prevedevano anche il passaggio di convogli ferroviari o la circolazione dei cosiddetti tram-treno, aventi una forma delle ruote analoga a quella dei treni veri e propri. Ne conseguiva che in questi casi il profilo Phoenix assumesse una conformazione del fungo diversa, con una gola più larga per permettere la circolazione promiscua.

Il profilo tipo Burback, usato per i carriponte

Un ultimo profilo della rotaia che vale la pena di conoscere è quello tipo Burback (noto come Burbach in alcune zone del mondo), che nelle sue varie declinazioni è caratteristico nella movimentazione di carichi pesanti nelle vie di corsa dei carriponte. Proprio per il fatto che su questo tipo di rotaie scorrano macchinari in grado di sollevare masse considerevoli, la loro forma è molto particolare.

A differenza di un profilo Vignole a cui siamo abituati, anche in questo caso si ha una forma a fungo, che però risulta molto meno slanciata e piuttosto contenuta in altezza. La suola risulta generalmente essere molto più larga rispetto al fungo, che a differenza di un profilo standard è praticamente piatto e non presenta la classica bombatura convessa verso l’alto. Inoltre il gambo è cortissimo, di fatto quasi inesistente.

Il perché di questa particolare conformazione del profilo è presto spiegato: dovendo sopportare dei carichi di notevole intensità in una zona piuttosto circoscritta della rotaia, il rischio di collasso della stessa per instabilità a compressione sarebbe molto alto utilizzando un profilo standard. Distribuendo invece il carico su una larghezza maggiore (suola più ampia e piano di rotolamento del fungo pressoché orizzontale) e limitando l’altezza del gambo, si ottiene un profilo perfetto per movimentare masse importanti.