Locomotiva a vapor: como funciona

Um trem chega

Fique numa plataforma quando uma locomotiva a vapor chega e a primeira coisa que você percebe é o tamanho. As rodas motrizes de uma grande locomotiva expressa têm a altura de uma pessoa, e a caldeira é mais alta que um ônibus. Depois vem o som: as batidas da chaminé ficam mais lentas, o vapor escapa lateralmente com um chiado na parte baixa da frente e, quando o trem para, as válvulas de segurança no alto se abrem com um estrondo. Nada numa locomotiva a vapor fica escondido numa caixa lacrada. Tudo o que ela faz acontece à vista, em dimensões ao lado das quais você pode ficar de pé.

Esta exposição começa da mesma maneira. Uma locomotiva expressa coreana do tipo Pashi, de 1942, entra numa estação e para ao seu lado. A pessoa na plataforma é desenhada com a sua altura, para você comparar com as rodas motrizes de 1850 mm. A partir daí, você pode conduzi-la: alimentar a caldeira, abrir o regulador, mover o inversor, acrescentar carros de passageiros ou vagões de carga, colocar a linha numa rampa e observar o comportamento da pressão da caldeira, da água no tubo de nível e da força de tração no trilho. Outras cinco locomotivas estão na mesma via: a Rocket de Stephenson, de 1829, uma americana 4-4-0 do tipo dos anos 1870, a coreana Mika de carga, a aerodinâmica Mallard do recorde de velocidade de 1938 e a articulada Big Boy de 1941.

A caldeira pode ser aberta num corte pelo meio para mostrar o fogo, os tubos e a água. Os cilindros se abrem para mostrar o pistão, a gaveta de distribuição cilíndrica e o vapor dentro de cada extremidade, colorido conforme sua função. Um pequeno gráfico, o diagrama indicador, traça a pressão num cilindro em função da posição do pistão enquanto as rodas giram, que era como os engenheiros mediam o trabalho de uma locomotiva um século atrás. O restante desta página explica o que você está vendo, com os números usados pelo modelo e a origem deles.

Por que uma locomotiva precisa de fogo dentro de uma caixa de água

Uma locomotiva a vapor leva sua própria central de energia. O fogo transforma água em vapor, o vapor empurra pistões e os pistões fazem as rodas girarem. A dificuldade é transferir calor suficiente do fogo para a água com rapidez suficiente, dentro de uma locomotiva estreita o bastante para passar entre plataformas de estações e por baixo de pontes.

O fogo queima sobre uma grelha na parte traseira da locomotiva, dentro da fornalha. A fornalha é uma caixa dentro de outra: uma caixa interna onde o carvão queima e um revestimento externo, com água preenchendo o espaço entre as duas nas laterais, na frente, atrás e por cima. O teto da caixa interna, chamado céu da fornalha, é o metal mais quente da locomotiva e precisa estar sempre coberto de água. No modelo, você vê isso quando a caldeira está em corte: o leito de fogo incandescente, a fornalha interna e a água azul ao redor.

O carvão entra pela porta na parte traseira da fornalha, uma pá de cada vez. Na cabine do modelo, o foguista se vira para o carvão na frente do tênder, enche a pá, volta-se para a fornalha e as portas se abrem apenas pelo tempo necessário para o carvão entrar. Pressione Alimentar na cena para fazê-lo colocar uma carga. Uma Pashi trabalhando intensamente no modelo queima cerca de 1,8 toneladas de carvão por hora, e cada porção é levantada à mão. A taxa de alimentação do modelo, um único controle deslizante, representa todo esse trabalho.

O carvão novo sobre um fogo quente libera gases antes de queimar de forma limpa e, se não houver ar suficiente, a chaminé escurece. No modelo, a fumaça da chaminé fica mais escura após cada carga de carvão e quando o fogo é maior do que a tiragem consegue queimar; ela volta a ser vapor branco quando a combustão alcança a alimentação.

A resposta da Rocket: uma caldeira cheia de tubos

Os gases quentes do fogo precisam passar pela água a caminho da chaminé e, quanto maior a superfície que encontram pelo caminho, mais calor cedem. A descrição da Rocket pelo Science Museum Group, a locomotiva que Robert Stephenson projetou para as provas de Rainhill de 1829, diz que ela reuniu numa máquina dois avanços que estabeleceram o padrão das locomotivas posteriores: a caldeira multitubular e o tubo de escape.

Numa caldeira multitubular, os gases da fornalha seguem para a frente por dezenas ou centenas de tubos pequenos dispostos longitudinalmente na água e saem na frente para a caixa de fumaça, sob a chaminé. Muitos tubos pequenos têm muito mais superfície que um único tubo grande da mesma seção transversal. O National Park Service informa que uma caldeira da Big Boy tinha mais de uma milha de tubos pequenos e grandes. Na caldeira em corte do modelo, você pode ver os tubos que vão da fornalha à caixa de fumaça com água ao redor, e os tubos maiores perto do alto, que contêm o superaquecedor nas locomotivas posteriores.

A Rocket venceu. O Science Museum Group diz que ela foi a única locomotiva a completar as provas, com média de 12 mph e velocidade máxima de 30 mph, e os Stephenson receberam o prêmio de £500 e o contrato para construir locomotivas para a Liverpool & Manchester Railway. Cinco locomotivas se inscreveram: Cycloped, Novelty, Perseverance, Sans Pareil e Rocket. A própria Rocket não ficou assim por muito tempo. Foi amplamente reconstruída em 18 meses e retirada de serviço em dez anos, e o que o museu guarda é a locomotiva reconstruída, preservada em 1862 incompleta e parcialmente abandonada.

A água no tubo de nível

Uma caldeira produz vapor consumindo sua própria água pela ebulição, portanto a água precisa entrar tão depressa quanto o vapor sai. O maquinista e o foguista acompanham o nível no tubo de nível na face traseira da caldeira, dentro da cabine: um tubo de vidro ligado à caldeira no alto e embaixo, de modo que a água dentro dele fica na mesma altura que a água na caldeira. No modelo, é o pequeno tubo ao lado do manômetro, e a leitura informa o nível como porcentagem do tubo.

A água entra pelo injetor. O Science Museum Group conserva um injetor Giffard original de 1858, descrito como um dispositivo para alimentar uma caldeira a vapor com água enquanto ela funciona. O problema que ele resolve é que a água precisa entrar num recipiente à pressão total da caldeira, e uma bomba acionada pelo movimento da própria locomotiva só funciona enquanto ela se move. No modelo, o injetor mantém sozinho o tubo próximo de três quartos da capacidade enquanto o controle Injetor está ligado, com um pequeno custo de pressão, porque a água fria que entra esfria um pouco a caldeira.

Desligue o injetor enquanto a locomotiva trabalha intensamente e o nível cai. Se ele cair o suficiente para descobrir o céu da fornalha, o teto fica sem nada para resfriá-lo. A proteção é um bujão fusível: um tampão no céu da fornalha com um núcleo de metal que derrete a uma temperatura inferior à da chapa. O Science Museum Group conserva três bujões fusíveis de 1862 e explica que, se a água baixar demais, o bujão fica exposto, o metal derrete e o vapor sopra para dentro da fornalha, alertando a equipe.

No modelo, com o injetor desligado e a Pashi trabalhando intensamente com 400 t, o bujão derrete após cerca de seis minutos. O vapor apaga o fogo, a pressão cai e a locomotiva deixa de funcionar. Um relatório do US National Transportation Safety Board sobre uma falha de fornalha na Pensilvânia em 1995 observa que, depois que um bujão fusível se rompe, a locomotiva precisa ir à oficina para reparo, e que as ferrovias divergiam quanto a instalá-los.

Pressão e válvulas de segurança

Conforme o fogo ferve a água, o vapor se acumula no espaço acima dela e a pressão sobe. O manômetro na cabine mostra essa pressão, e a barra de leitura a compara com a linha vermelha, a pressão para a qual as válvulas de segurança estão reguladas. Na linha vermelha, as válvulas se abrem e o vapor sai com um estrondo até a pressão cair um pouco. É esse estrondo que você ouve quando uma locomotiva está parada numa estação com um fogo forte.

Uma caldeira descarregando vapor está desperdiçando carvão: o fogo produz mais vapor do que está sendo usado. Um bom foguista mantém a pressão logo abaixo da linha vermelha, reforçando o fogo antes de uma subida e deixando-o diminuir antes de uma parada. Uma das tarefas do laboratório pede exatamente isso: elevar a pressão de 80% para 95% da pressão máxima e mantê-la ali por 30 segundos sem que as válvulas se abram.

As pressões no modelo são dadas em bar e em libras por polegada quadrada. A Pashi e a Mika trabalham em torno de 14 a 15 bar (cerca de 200 a 220 psi), a Mallard a 17,2 bar (250 psi), a Big Boy a 20,7 bar (300 psi) e a Rocket a 3,4 bar (50 psi). Exceto quando uma fonte os fornece, esses são valores do modelo para uma locomotiva típica de cada tipo, e a página os identifica como tais.

Do regulador aos cilindros

O vapor que chega aos cilindros é retirado do ponto mais alto da caldeira, geralmente dentro de um domo, para que leve consigo a menor quantidade possível de água. A válvula reguladora fica ali, e o maquinista a aciona da cabine com uma alavanca longa. No modelo, o controle Regulador é essa alavanca: fechado, nada vai aos cilindros; totalmente aberto, o vapor passa quase à pressão total da caldeira. O vapor segue então para a frente pelo tubo principal de vapor até a caixa de fumaça.

Nas locomotivas posteriores do modelo, ele passa pelo superaquecedor no caminho: tubos pequenos que voltam por dentro dos tubos maiores, onde os gases quentes secam o vapor e o aquecem bem acima de seu ponto de ebulição. O vapor superaquecido realiza mais trabalho por quilograma, porque pode se expandir mais antes de começar a condensar. No modelo, as locomotivas com superaquecedores usam cerca de três quartos da massa de vapor de que as locomotivas de vapor saturado, a Rocket e a 4-4-0, precisam para o mesmo enchimento dos cilindros.

Da caixa de fumaça, tubos de vapor descem até as caixas de distribuição sobre os cilindros. Na caldeira em corte, você pode acompanhar os tubos de cobre do domo até a frente e dali para baixo, até os cilindros.

O vapor empurra um pistão, primeiro de um lado e depois do outro

Cada cilindro é fechado nas duas extremidades. O vapor entra numa extremidade e empurra o pistão até a outra; depois é liberado e o vapor entra na outra extremidade, empurrando o pistão de volta. Assim, cada cilindro dá dois impulsos a cada volta das rodas. A haste do pistão sai pela traseira do cilindro até uma cruzeta que desliza entre barras-guia, e uma biela motora liga a cruzeta a um pino de manivela na roda motriz principal. Bielas de acoplamento unem os pinos de manivela de todas as rodas motrizes daquele lado, para que girem juntas.

Os dois lados são defasados em um quarto de volta. Quando um pistão está no fim de seu curso, onde seu impulso não consegue girar a roda, o outro está no meio do curso. Assim, a locomotiva pode partir de qualquer posição em que tenha parado. No modelo, as três manivelas da Mallard têm defasagem de um terço de volta, com o terceiro cilindro entre as longarinas.

Abra os cilindros com Ver por dentro e você poderá observar isso. Vermelho é vapor novo entrando, laranja é vapor se expandindo atrás do pistão depois que a gaveta se fecha, azul é vapor usado saindo para o escape e roxo é o pouco vapor preso e comprimido no fim do curso de retorno.

A gaveta: recobrimento, avanço, corte e liberação

Acima do cilindro, na caixa de distribuição, uma gaveta de distribuição cilíndrica desliza de um lado para outro em sua própria haste. Suas duas cabeças abrem e fecham as janelas de cada extremidade do cilindro, primeiro para o vapor da caldeira, depois para o escape. A gaveta precisa estar sincronizada com o pistão: deve abrir a janela para o vapor assim que o pistão começa seu curso, fechá-la durante o percurso e abri-la para o escape antes do fim do curso.

Duas pequenas dimensões tornam isso possível. O recobrimento é o quanto cada cabeça da gaveta se sobrepõe à sua janela quando a gaveta está no meio de seu deslocamento; por causa dele, a gaveta pode fechar a entrada de vapor bem antes do fim do curso. O avanço é o quanto a janela já está aberta para o vapor quando o pistão está na extremidade de seu curso, para que a pressão total esteja pronta quando ele começar a voltar. O modelo usa um avanço de 0,18 do recobrimento.

Enquanto as rodas giram, cada extremidade do cilindro passa pelos mesmos seis eventos em sequência: admissão de vapor, corte (a gaveta fecha e o vapor se expande), liberação (a gaveta abre para o escape um pouco antes do fim do curso), escape (o pistão empurra o vapor usado para fora no retorno), compressão (a gaveta fecha para o escape e o vapor restante é comprimido) e nova admissão de vapor. O laboratório tem uma tarefa para colocá-los em ordem, e a tabela sob o diagrama indicador informa a posição do pistão em cada evento na regulagem atual do inversor.

A distribuição Walschaerts e o inversor

A gaveta é movida pela distribuição. As locomotivas maiores do modelo têm distribuição Walschaerts do lado de fora, por isso você pode vê-la. Ela soma dois movimentos. Um vem de uma contramanivela no pino da manivela principal, defasada em um quarto de volta em relação à manivela, e passa pela haste excêntrica até a base de uma colisa curva e ranhurada que oscila de um lado para outro. Um bloco deslizante corre nessa colisa, e a barra de raio leva o movimento do bloco para a frente até uma alavanca de combinação. O outro movimento vem da própria cruzeta, por uma biela de união até a parte inferior da alavanca de combinação. A alavanca soma os dois e aciona a haste da gaveta.

O maquinista move o bloco para cima e para baixo na colisa com o inversor. Com o bloco numa extremidade da colisa, a gaveta tem seu maior deslocamento e a locomotiva anda para a frente; na outra extremidade, o movimento se inverte e a locomotiva anda para trás. Perto do meio, em posição neutra, o movimento da colisa quase não chega à gaveta, que se move apenas pelo recobrimento e pelo avanço transmitidos pela cruzeta. O Science Museum Group conserva modelos em corte da distribuição Walschaerts feitos para demonstração.

No modelo, a posição da gaveta é a soma de uma parcela da contramanivela, multiplicada pela regulagem do inversor, e de uma parcela da cruzeta que produz recobrimento e avanço nos pontos mortos. A posição máxima é regulada para que o vapor seja cortado a 75% do curso. Na posição neutra, a gaveta ainda abre pelo avanço ao redor de cada ponto morto, o que por si só admitiria vapor durante cerca de 9% do curso; mas a abertura é tão pequena, e ocorre quando a manivela mal consegue girar a roda, que não há impulso. Experimente na tarefa do laboratório: inversor no meio, regulador meio aberto, e nada se move.

Corte: fazendo o vapor trabalhar duas vezes

O inversor faz mais do que escolher a direção. Ao determinar em que ponto do curso a gaveta fecha, ele define o corte, e essa é a principal maneira de o maquinista controlar a locomotiva depois que ela está em movimento.

Na posição máxima, o vapor é admitido durante três quartos do curso. Isso produz o impulso mais forte, necessário para partir com um trem pesado, mas a maior parte do vapor sai do cilindro ainda sob alta pressão. Traga o inversor de volta em direção ao meio, encurtando o corte, e a gaveta fecha mais cedo. O vapor entra durante, por exemplo, um quarto do curso e se expande pelo restante, empurrando o tempo todo com pressão decrescente. O impulso é menor, mas cada quilograma de vapor realiza muito mais trabalho.

O diagrama indicador mostra isso. O modelo traça a pressão numa extremidade de um cilindro em função do volume enquanto as rodas giram, e a área dentro do laço é o trabalho de um curso. Na posição máxima, o laço é largo; com o corte encurtado, é estreito, com uma linha longa e inclinada onde o vapor se expande. Partindo do repouso à pressão total, a pressão média da Pashi ao longo do curso é de 12,9 bar com corte de 75%, 85% da pressão da caldeira, e de 6,0 bar com corte de 25%, 40% dela.

A economia é real no modelo. A 60 km/h, a Pashi exercendo a mesma força com corte de 25% e regulador aberto usa 2,1 kg de vapor por segundo; com corte de 60% e regulador reduzido para igualar a força, usa 2,8 kg por segundo. É um quarto a menos de vapor e, portanto, um quarto a menos de água e carvão para o mesmo trabalho. A tarefa de encurtar o corte no laboratório pede que você mantenha 80 km/h com 400 t usando corte de 25% ou menos.

As batidas do escape avivam o fogo

O vapor usado sai de cada cilindro pelas janelas de escape, sobe por um bocal na caixa de fumaça, o tubo de escape, e sai pela chaminé. Cada escape é uma batida, o sopro que você ouve. Com dois cilindros, são quatro batidas a cada volta das rodas motrizes; com três, seis. Na velocidade recorde de 126 mph, as rodas de 2032 mm da Mallard giravam quase nove vezes por segundo, o que no modelo corresponde a cerca de 53 batidas por segundo, rápido demais para ouvir cada uma separadamente.

O jato tem uma segunda função, e é por ela que o projeto da Rocket é lembrado. Cada jato de vapor que sobe pela chaminé arrasta consigo os gases da caixa de fumaça, reduzindo a pressão ali. Isso puxa os gases do fogo pelos tubos e ar fresco para cima através da grelha. Assim, quanto mais intensamente a locomotiva trabalha, mais ela aviva seu próprio fogo: mais vapor usado, mais jato, mais ar, mais calor, mais vapor. No modelo, o fogo só queima tão depressa quanto o foguista o alimenta quando o escape produz tiragem; parada, a locomotiva usa o soprador para uma tiragem mais suave, e a evaporação que o fogo consegue produzir diminui.

O Science Museum Group conserva um modelo em escala de um sexto de uma caixa de fumaça e tubo de escape, e o National Railway Museum cita o sistema de escape Kylchap da Mallard entre as inovações que a tornaram candidata ao recorde de velocidade.

Três limites para a tração

Com que força uma locomotiva pode puxar? O artigo sobre trens da Encyclopedia of Korean Culture dá uma resposta clara. Ele identifica três forças de tração: a força de aderência, a capacidade das rodas motrizes de se agarrar aos trilhos antes de patinar; a força dos cilindros, que cresce com os cilindros e diminui com o tamanho das rodas; e a força da caldeira, o que ela consegue sustentar em vapor. A força real é limitada pela menor das três. Acelerar, desacelerar ou manter a velocidade depende de essa força ser maior, menor ou igual à resistência causada pela velocidade, pelas rampas e pelas curvas.

O laboratório traça as três em função da velocidade para a locomotiva na cena. A linha de aderência é horizontal: o peso sobre as rodas motrizes multiplicado por um coeficiente de atrito, 0,25 em trilho seco no modelo e 0,33 com areia. A linha dos cilindros é mais alta no repouso e cai conforme a locomotiva acelera, porque o vapor tem menos tempo para atravessar as janelas. A linha da caldeira cai acentuadamente com a velocidade: a caldeira só consegue fornecer uma determinada potência, e potência é força multiplicada por velocidade. Uma linha tracejada marca a menor das três. O ponto em que ela cruza a linha azul, a resistência do trem que você escolheu na rampa que definiu, indica a maior velocidade que a locomotiva pode atingir.

Em baixa velocidade, o limite de aderência geralmente decide, e aplicar mais força às rodas só as faz patinar. Em alta velocidade, quem decide é a caldeira. Entre as duas, decidem os cilindros e a escolha de corte e regulador pelo maquinista.

Força de tração pela regra prática

Os engenheiros classificavam uma locomotiva por sua força de tração de partida, calculada a partir de suas dimensões. Para dois cilindros: 0,85 vezes a pressão da caldeira vezes o quadrado do diâmetro interno do cilindro vezes o curso, dividido pelo diâmetro da roda motriz. O fator 0,85 considera a pressão perdida entre a caldeira e o pistão. Para três cilindros, multiplique por 1,5; para quatro, por 2.

Com os três cilindros de 18,5 por 26 polegadas da Mallard, 250 psi e rodas de 80 polegadas, a regra resulta em 35.455 libras-força (157,7 kN). Com os quatro cilindros de 23,75 por 32 polegadas da Big Boy, 300 psi e rodas de 68 polegadas, resulta em 135.375 libras-força (602 kN). O número do próprio modelo, calculado pelo diagrama indicador na posição máxima e à pressão total, fica a menos de 2% da regra nas seis locomotivas.

Há uma comparação com um valor publicado. O Korea Heritage Service lista a Mika nº 304, preservada em Jeju, com rodas motrizes de 1450 mm de diâmetro, peso de 90,65 t e força de tração de 15.430 kg. A Mika do modelo, com cilindros de 530 mm de diâmetro interno e 660 mm de curso e pressão de 13,73 bar, produz 15.216 kg, 1,4% menos. Essas dimensões dos cilindros e essa pressão são valores do modelo. O laboratório tem uma tarefa para você calcular o valor da Mika.

Divida o peso sobre as rodas motrizes pela força de tração e você obtém o fator de aderência. Se ele for baixo demais, a locomotiva patina sempre que trabalha intensamente; se for alto demais, ela carrega peso que poderia ter sido usado em cilindros maiores. No modelo, ele fica entre 3,9 e 4,5 nas cinco locomotivas posteriores, e em 6,9 na Rocket, que tem muito peso no seu único eixo motriz para o tamanho dos cilindros.

Patinagem das rodas e areia

Abra totalmente o regulador num trem pesado e os cilindros podem empurrar com mais força do que as rodas conseguem transmitir por aderência. As rodas patinam, a locomotiva deixa de puxar e as bielas giram rapidamente. No modelo, as rodas também disparam, saem faíscas dos trilhos e a barra de tração no mostrador fica vermelha.

A primeira tarefa de condução do laboratório mostra isso. A Mika tem 1000 t de vagões numa subida de 1 em 100. Segurar esse trem na rampa exige 112,5 kN, e colocá-lo em movimento exige mais cerca de 15 kN para vencer a resistência dos vagões. A aderência das 60 t sobre suas rodas motrizes é de 147 kN em trilho seco. Com o regulador totalmente aberto, os cilindros exercem 149 kN, um pouco mais que a aderência, e as rodas patinam. Com o regulador quase fechado, não há força suficiente e nada se move.

Há duas maneiras de resolver. Abra o regulador suavemente, para que a força fique entre o necessário e o que o trilho suporta. Ou pressione Areia: a areia lançada à frente das rodas motrizes eleva a aderência no modelo para 194 kN, e a locomotiva parte. No modelo, a caixa de areia fica sobre a caldeira, com tubos que descem até o trilho à frente das rodas.

Rampas e o peso do trem

A resistência de um trem vem dos mancais, das rodas sobre os trilhos e do ar, e numa rampa, da gravidade. O modelo usa a fórmula que W. J. Davis publicou na General Electric Review em 1926: uma parcela que depende do peso em cada eixo, uma que cresce com a velocidade e uma parcela aerodinâmica que cresce com o quadrado da velocidade, com um coeficiente aerodinâmico maior para o primeiro veículo do que para o restante do trem. As ferrovias ainda usam versões dela.

A gravidade logo supera o restante. A Pashi com 400 t de carros de passageiros encontra 28 kN de resistência a 100 km/h no plano; uma subida de 1 em 100 acrescenta 54,8 kN, cerca do dobro. A tabela de hipóteses do laboratório informa a maior velocidade que a locomotiva na cena consegue manter à pressão total com corte de 45%, para quatro pesos de trem e cinco rampas, e indica quando ela não consegue sequer segurar o trem.

O recorde da Mallard é o caso mais claro. Com o trem de 240 t do recorde a 200 km/h, a resistência no modelo é de 43,9 kN; numa descida de 1 em 200, a gravidade devolve 19,9 kN desse valor. No modelo, começando a 120 km/h nessa descida com regulador aberto e corte de 40%, a Mallard passa de 200 km/h, como o National Railway Museum diz que a verdadeira fez em Stoke Bank. No plano, com o mesmo trem, o modelo chega a cerca de 176 km/h.

Contando rodas: a notação Whyte

As locomotivas são denominadas pelas rodas. Na notação Whyte, que o US National Park Service apresenta em seu estudo da coleção de Steamtown, você conta as rodas dos dois lados em grupos a partir da frente: as rodas de apoio do truque dianteiro, as rodas motrizes e as rodas traseiras. A Rocket é 0-2-2: nenhuma roda dianteira, um par de rodas motrizes e um par de rodas traseiras. A Mallard é 4-6-2. A Big Boy, com dois grupos de rodas motrizes, é 4-8-8-4.

Nos Estados Unidos, os arranjos tinham nomes. O 4-4-0 era American, o 4-6-2 era Pacific, o 2-8-2 era Mikado. A Coreia usava os mesmos tipos com nomes japoneses abreviados. O Railroad Museum em Uiwang explica que Pashi vem de Pacific e Mika de Mikado, e que a Pashi era a locomotiva expressa de passageiros entre Seul e Busan desde cerca de 1922, enquanto a Mika chegou por volta de 1919 para o transporte de carga entre Busan e Sinuiju.

As rodas dianteiras guiam a locomotiva nas curvas, e as rodas traseiras sustentam o peso de uma fornalha grande demais para caber entre as rodas motrizes. Mais rodas motrizes colocam mais peso sobre o trilho para obter aderência, o que convém à carga; rodas motrizes maiores giram menos vezes por minuto numa determinada velocidade, o que convém aos trens de passageiros. O laboratório tem um questionário com dezesseis arranjos desenhados de lado: identifique três seguidos.

John Bull e a americana 4-4-0

O National Museum of American History do Smithsonian conserva a John Bull, construída na Inglaterra pela Robert Stephenson & Co. em 1831 como uma 0-4-0 padrão do tipo Planet para a Camden and Amboy Railroad. Ela foi montada em Nova Jersey por Isaac Dripps, um jovem mecânico de barcos a vapor que, segundo o museu, nunca tinha visto uma locomotiva. Nas vias irregulares americanas, ela descarrilava continuamente, então Dripps acrescentou um par de rodas-guia numa estrutura à frente. O museu diz que esse truque dianteiro foi adotado em praticamente todas as locomotivas a vapor americanas, exceto as de manobra em pátios. A John Bull rodou por 35 anos; em 1981, voltou a funcionar, a locomotiva mais antiga existente ainda capaz de operar.

Acrescente um segundo par de rodas motrizes e um truque de quatro rodas na frente e você terá a 4-4-0, que, segundo o National Park Service, se tornou tão típica dos Estados Unidos em meados do século XIX que recebeu o nome de tipo American. A Jupiter do Smithsonian, uma 4-4-0 de bitola estreita construída pela Baldwin em 1876 para a Santa Cruz Railroad, tem suspensão equalizada: conforme cada roda oscila sobre a via irregular, o peso em cada roda motriz permanece quase igual. A 4-4-0 do modelo segue a forma geral dos anos 1870, com cabine de madeira, domos de latão, chaminé com retentor de faíscas em forma de diamante e limpa-trilhos; suas dimensões são valores do modelo.

Mallard e o recorde de velocidade

A Mallard é uma A4, uma das 35 Pacific aerodinâmicas projetadas por Sir Nigel Gresley para a London & North Eastern Railway. O registro do Science Museum Group diz que as A4 foram introduzidas em 1935 e as quatro primeiras foram pintadas de cinza-prateado; em 1938, a cor padrão era azul-garter. O National Railway Museum diz que sua forma foi aperfeiçoada num túnel de vento para cortar o ar, tornando possíveis 120 mph ou mais.

Em 3 de julho de 1938, durante uma série de testes de freios, a Mallard atingiu 126 mph em Stoke Bank, entre Grantham e Peterborough. O blog do museu diz que o percurso foi feito sob o pretexto de um teste de freios, e seu relato da corrida diz que o carro dinamométrico atrás da locomotiva registrou 120 mph ao longo de cinco milhas na descida. Esse carro era um laboratório ambulante que registrava a velocidade do trem em rolos de papel. O registrador de velocidade Flaman na cabine da Mallard, de projeto francês, ainda está lá.

126 mph equivalem a cerca de 203 km/h, e continuam sendo o recorde para vapor. Não foi a primeira vez que se afirmou que uma locomotiva a vapor havia ultrapassado 100 mph. Uma carta na coleção do Science Museum Group trata da publicação das 102,3 mph que um cronometrista registrou atrás da City of Truro em 9 de maio de 1904; o National Railway Museum, porém, considera oficialmente a Flying Scotsman a primeira locomotiva a vapor a atingir 100 mph, em 1934. O gráfico de recordes no laboratório marca o valor de 1904 como não oficial.

A Mallard foi retirada de serviço em 1963, exposta no Museum of British Transport em Clapham e está no Great Hall do National Railway Museum em York desde sua abertura em 1975.

Big Boy

Para transportar carga pesada pelas montanhas, a Union Pacific encomendou à American Locomotive Company 25 Big Boys, 20 em 1941 e cinco em 1944. O National Park Service, que conserva a nº 4012 no Steamtown National Historic Site, diz que foram construídas para ter força: puxavam trens de 120 vagões e 3800 toneladas a 40 mph nas montanhas de Utah e Wyoming. Cada uma tinha 16 rodas motrizes de 68 polegadas, uma grelha de 150 pés quadrados e mais de uma milha de tubos pequenos e grandes; com o tênder, tinha 132 ft 9 in de comprimento e pesava 1.189.500 lb em condições de serviço.

Uma locomotiva tão longa não conseguiria fazer curvas fechadas com uma estrutura rígida, por isso o grupo dianteiro de rodas motrizes fica numa estrutura própria, articulada ao restante, e cada grupo tem seu próprio par de cilindros. O NPS atribui a articulação ao projetista suíço Anatole Mallet e acrescenta um fato que surpreende a maioria das pessoas: as Big Boys não eram as locomotivas mais potentes, embora fossem as mais pesadas.

No modelo, a Big Boy puxa 3447 t, o equivalente métrico de 3800 toneladas curtas, no plano até cerca de 100 km/h, e sua potência máxima fica em cerca de 6300 hp, em comparação com os 6200 hp informados pelo NPS. Das 25, oito sobrevivem. A nº 4014 foi restaurada para funcionar em 2019 e, em julho de 2026, segundo a revista do Smithsonian, atravessou os Estados Unidos para o 250º aniversário do país.

O vapor na Coreia

As ferrovias coreanas começaram com vapor. A Encyclopedia of Korean Culture diz que os primeiros trens circularam na linha Gyeongin entre Noryangjin e Incheon em 18 de setembro de 1899, com uma locomotiva construída pela Brooks nos Estados Unidos; o Korea Rail Industry Information Center a descreve como uma locomotiva-tanque do tipo Mogul. Locomotivas-tanque do tipo Prairie e locomotivas com tênder do tipo Teou vieram depois dos Estados Unidos em 1905, locomotivas com tênder do tipo American em 1911, locomotivas superaquecidas em 1914, tipos Mika em 1919 e tipos Pashi em 1921 e 1923. Em 1927, as oficinas de Seul construíram duas locomotivas do tipo Teou, as primeiras feitas na Coreia.

Em 27 de dezembro de 1945, segundo a mesma história, a primeira locomotiva construída por engenheiros coreanos fez testes entre Yeongdeungpo e Suwon: 2000 hp, capaz de rodar a 100 km/h com 20 carros de passageiros. As locomotivas diesel-elétricas chegaram durante a Guerra da Coreia e, depois de 31 de agosto de 1967, o vapor deixou de circular nas linhas principais coreanas.

Várias locomotivas sobrevivem como patrimônio nacional registrado, inscritas em 17 de outubro de 2008. A Pashi nº 23, fabricada no Japão e montada nas oficinas de Seul em 1942, é a única Pashi restante na Coreia; o Heritage Service lista suas rodas motrizes com 1850 mm e sua altura com 4750 mm. Depois da libertação, foi convertida para queimar óleo pesado e puxou trens de passageiros nas linhas principais até os anos 1960, e sua conservação foi concluída em 2024 no Railroad Museum em Uiwang. A Mika nº 304, de 1944, fica no Samu Park em Jeju. A Mika nº 129, no National Cemetery em Daejeon, foi retirada do registro em 12 de junho de 2025.

O Railroad Museum, aberto em 1988, também conserva a Teou nº 700. Construída em 1914 e usada de 1919 a 1935, foi seccionada numa escola ferroviária e usada por mais de 80 anos para mostrar aos alunos como uma locomotiva funciona por dentro, assim como fazem a caldeira e os cilindros em corte desta exposição.

Virar e abastecer de água

No fim de uma linha, uma locomotiva que precisa voltar com a chaminé à frente é virada. Na plataforma giratória do modelo, a locomotiva e o tênder ficam numa ponte sobre um fosso circular, e a ponte gira num pivô central com rodas nas extremidades que correm sobre um trilho circular. Use as setas ou o controle deslizante Plataforma giratória para virá-la para o outro lado; a tarefa pede 180° com tolerância de um grau. Uma plataforma giratória precisa ser mais comprida que a maior locomotiva com tênder que atende, e o fosso do modelo tem 44 m de diâmetro para a Big Boy caber.

A água acaba muito antes do carvão. No modelo, cada quilograma de carvão ferve de seis a sete quilogramas de água, por isso um tênder carrega várias vezes mais água do que carvão em peso. O tênder da Pashi no modelo comporta 25.000 litros, cerca de duas horas de produção máxima da caldeira. No guindaste de água da plataforma, o braço gira sobre a abertura de abastecimento do tênder e a mangueira de couro enche o tanque. Com Ver por dentro ligado, você pode observar a água subir no tênder.

Como o modelo difere das locomotivas reais

As seis locomotivas são construídas com base nas proporções gerais de cada tipo, não nos desenhos dos fabricantes, e não têm números, placas de fabricantes nem marcas. Quando uma fonte fornece uma dimensão, ela é usada: as rodas de 2032 mm e as 104,6 t da Mallard, as rodas de 1850 mm da Pashi, as rodas de 1450 mm e as 90,65 t da Mika, as rodas de 68 polegadas e o peso total da Big Boy. Dimensões dos cilindros, pressões, produções das caldeiras e o restante são valores do modelo.

A caldeira é um único reservatório de água quente cuja pressão sobe e desce conforme a diferença entre o vapor produzido e o vapor usado. O fogo é um único número que acompanha a taxa de alimentação e é limitado pela tiragem. Caldeiras reais respondem mais lentamente, e alimentar o fogo de verdade é um ofício aprendido ao longo de anos. O vapor nos cilindros se expande segundo uma curva simples; cilindros reais perdem calor para suas paredes, e as janelas estrangulam o vapor de formas que o modelo apenas aproxima com um fator que cresce com a velocidade do pistão. A resistência do trem segue Davis, e as curvas ficam de fora. A via é reta e plana, exceto pela rampa que você define, que o modelo aplica sem inclinar a cena.

O tempo pode ser reduzido a um décimo para observar a distribuição, ou acelerado trinta vezes para percorrer uma subida inteira. A equipe e a pessoa na plataforma são manequins lisos, sem rostos.