Si definisce trazione ferroviaria l'insieme dei vari sistemi sperimentati e attuati, nel corso degli anni, allo scopo di trainare treni di veicoli sulle ferrovie; alcuni sono rimasti sperimentali, altri si sono consolidati e hanno continuato a svilupparsi fino ai giorni nostri.
Storia dei sistemi di trazione I primi sistemi, impiegati in genere per lo spostamento delle merci, ma anche per le persone nelle antiche tranvie cittadine, sono stati quelli a trazione animale (generalmente con cavalli, ma a volte anche con buoi). L'applicazione del motore a vapore e dell'elettricità sviluppò la potenzialità del trasporto. Un altro sistema molto antico di trazione è il trasporto a fune. I due sistemi principali di trazione rimasti infine in uso sono quello elettrico e quello termico, principalmente diesel.
Trazione a vapore
Agli inizi dell'Ottocento in Inghilterra, in seguito allo sviluppo del motore a vapore come sostituto meccanico del cavallo per il traino dei convogli di carrelli di carbone nelle miniere, la tecnologia ferroviaria adottò la trazione a vapore, che consentì il rapido diffondersi delle ferrovie in tutto il mondo a cavallo tra il XIX e il XX secolo. Quale combustibile per l'alimentazione delle caldaie venne presto utilizzato il carbone fossile, ma in alcune aree del mondo anche il carbone di legna e, specie nelle piccole ferrovie boschive, anche la legna in pezzi. Dalla metà del XX secolo cominciò a essere usata anche l'alimentazione a olio combustibile e a nafta. Vennero sperimentate anche alimentazioni a gas metano, presto abbandonate a causa di gravi incidenti. Allo scopo di aggiornare la tecnologia costruttiva della trazione a vapore e aumentarne prestazioni e rendimento sono state costruite anche locomotive con caldaie ad alta pressione; nonostante ciò tale sistema di trazione, se si eccettuano alcuni servizi turistici, è pressoché scomparso e sopravvive in maniera consistente solo in alcune regioni dell'Asia e dell'Africa.
Trazione elettrica
Dagli inizi del XX secolo si è sviluppato progressivamente un ulteriore tipo di trazione basato sull'uso di motori elettrici; il sistema definito trazione elettrica è oggi quello tecnologicamente più evoluto e caratterizza fra l'altro tutte le ferrovie ad alta velocità di recente realizzazione. Le ragioni della sua affermazione risiedono nella maggiore affidabilità elettromeccanica e nella sua maggiore economicità di esercizio nelle ferrovie a traffico intenso; è inoltre quello a minore inquinamento ambientale e consente con opportuni sistemi anche un certo recupero di energia nelle discese e nelle fasi di rallentamento o frenatura.
Trazione termica
La Trazione Termica o Trazione Diesel, attuata mediante l'uso di motori endotermici quasi esclusivamente diesel, a partire dagli inizi del XX secolo si è progressivamente diffusa in tutto il mondo, in Europa generalmente sulle linee a traffico medio-basso ma in Asia e nelle Americhe quasi generalizzata. Agli inizi del XX secolo vi furono limitati usi dell'alimentazione a benzina o anche a benzolo.
Sistemi sperimentali
Ormai definitivamente abbandonato invece è il sistema di trazione a elica. Il primo esperimento di trazione a elica di cui si ha conoscenza venne operato da un reparto di aviatori tedeschi e riguarda l'applicazione di un motore di aereo a un carro pianale avvenuta nel 1916 su una linea a scartamento ridotto della Palestina. Il veicolo raggiunse la velocità di 90 chilometri orari. Tuttavia il primo uso industriale vero e proprio sembra essere stato quello del 1929, in Inghilterra, adottato dal costruttore, Bennie, su dei veicoli a forma di siluro che muniti di due eliche per poter viaggiare nei due sensi, percorrevano una ferrovia sospesa di circa due chilometri. L'ultimo tentativo avvenne in Germania nel 1931, sull'onda dei successi dei dirigibili, che usavano proprio la propulsione a elica, su una automotrice con struttura in lega leggera, progettata dall'ingegner Kruckenberg, che sulla linea Amburgo-Berlino, tra Bergdorf e Spandau stabilì il primato mondiale per quel tipo di trazione raggiungendo i . Nonostante questo il mezzo non entrò mai in esercizio regolare. Gli esperimenti effettuati miravano principalmente alla velocità elevata ma dimostrarono i pesanti limiti del sistema. I motivi dell'insuccesso erano ascrivibili essenzialmente alla necessità di costruire veicoli molto leggeri per compensare le difficoltà di avviamento, quindi di costosa costruzione e non atti ad aumenti del carico previsto, nonché alla necessità di una sagoma limite maggiorata per poter circolare; Infine, concorse all'abbandono del progetto lo sviluppo dell'uso di motori elettrici ed endotermici sempre più veloci e affidabili nella trazione ferroviaria.
La trazione elettrica nelle ferrovie italiane
Alla fine del XIX secolo l'epoca dei famosi treni di lusso «Orient Express», «Sud-Express» e «Méditerranée» l'Italia, prima in EuropaAl tempo non esisteva alcun esempio di trazione elettrica ferroviaria: le esperienze erano infatti limitate alla trazione tranviaria che, nata in Europa nel 1879 con modeste applicazioni, ebbe un grandissimo sviluppo negli Stati Uniti d'America negli anni seguenti, tornando quindi di rimbalzo nel Vecchio Continente. Fin dalla sua costituzione, avvenuta nel 1897, la commissione italiana per la trazione elettrica, nota in seguito come Commissione Nicoli-Grismayer, avvertì che l'esperienza tranviaria americana non poteva essere sufficiente, mettendo in dubbio la strada già intrapresa dalle grandi case costruttrici statunitensi che ritenevano che il passaggio dalla trazione elettrica tranviaria a quella ferroviaria potesse avvenire "per estrapolazione" con un semplice cambiamento di dimensione. Libera da interessi precostituiti per l'applicazione dell'energia elettrica alla trazione, la Commissione Nicoli-Grismayer lavorò quindi con estrema spregiudicatezza, forte del fatto di essere composta da ferrovieri il cui giudizio era ispirato innanzi tutto dalle necessità dell'esercizio ferroviario. Cfr. ., cercò di sostituire la trazione a vapore in uso sulle proprie ferrovie con quella elettrica allo scopo di migliorare il comfort ed eliminare il fastidio che la polvere di carbone arrecava ai viaggiatori.
Nel 1898 il ministro dei Lavori Pubblici ingegner Giulio Prinetti istituì una commissione tecnica (denominata Commissione Nicoli-Grismayer) che, studiato il problema, incaricò le due maggiori compagnie ferroviarie dell'epoca, la Società Italiana per le Strade Ferrate del Mediterraneo, esercente la Rete Mediterranea, e la Società italiana per le strade ferrate meridionali - Esercizio della rete adriatica, esercente la Rete Adriatica, di eseguire studi ed esperimenti per la scelta del sistema più adatto di trazione elettrica.. I primi esperimenti furono quelli con automotrici ad accumulatori (1899-1904) sulla Milano-Monza e sulla Bologna-San Felice e quelli a corrente continua a 650 volt sulla linea Milano-Varese, della Rete Mediterranea, con alimentazione a terza rotaia, con elettromotrici. Gli esperimenti anche se incoraggianti comportavano però velocità e potenza modeste e autonomia insufficiente per le esigenze del servizio ferroviario, quindi verso il 1902 iniziarono sulle stesse linee gli esperimenti di captazione dell'energia elettrica attraverso la linea aerea in trifase a , utilizzando appositi locomotori del tipo RA 34 (poi E.430 delle FS), che sviluppavano la potenza di circa (circa ).
L'ottimo risultato ottenuto sulla linea Valtellinese promosse l'estensione della trazione elettrica anche alle linee di valico a grande traffico.
Dalla captazione da terza rotaia si passò per sicurezza alla captazione a linea aerea che è quella universalmente usata, anche se a oggi permangono nel mondo diverse realtà con captazione a terza rotaia.
L'adozione della linea aerea migliorò la sicurezza allontanando le parti in tensione dalle persone, e inoltre semplificando parecchio la captazione in corrispondenza degli scambi e dei passaggi a livello; il nuovo sistema, però, determinò anche l'incremento della sagoma limite (e quindi delle relative opere d'arte come ponti e gallerie), e un generalizzato aumento dei costi per pali, sostegno e tensione dei fili, ecc.
La trazione elettrica a corrente alternata trifase
Agli inizi della sperimentazione le tensioni usate non erano molto elevate, dell'ordine di 700 volt in corrente continua, in certi casi anche in corrente alternata monofase. Con tale tensione non si potevano ottenere le elevate potenze necessarie per il traino dei treni ma solo per tranvie o ferrovie suburbane. Nei primi anni del XX secolo, dopo alcuni esperimenti positivi in Ungheria, in Italia venne quindi sperimentata e presto si affermò la trazione trifase ad alta tensione (3600 volt). I vari stati europei adottarono tensioni nominali di , e volt, e frequenze tra 15 e 20 hertz, allo scopo di conciliare l'esigenza costruttiva di motori relativamente lenti senza dover elevare troppo il numero dei poli e per contenere entro limiti accettabili le cadute induttive e le perdite di energia conseguenti alla utilizzazione della rotaia come terzo conduttore di linea.
I locomotori avevano in genere due motori e si ottenevano quattro velocità di esercizio con l'ausilio dì reostati e speciali collegamenti statore-rotore che permettevano di variare il numero di poli e in seguito anche il numero di fasi.
La massima aderenza si otteneva mediante bielle di accoppiamento delle ruote motrici. Il sistema trifase pur tecnicamente valido per quanto riguarda le potenze e le tensioni di alimentazione dei motori, aveva però l'inconveniente di una maggiore complessità costruttiva della linea aerea e dei sistemi di captazione, soprattutto negli scambi e negli incroci; infatti le due fasi aeree esigevano, come è comprensibile, la presenza di doppi pantografi, e dispositivi per mantenere la loro captazione sempre separata, anche quando le linee si incontravano o si incrociavano (la terza fase era applicata alla rotaia).
Inoltre i motori asincroni avendo caratteristiche di avviamento e regolazione meno elastiche dei motori a corrente continua erano meno adatti alle esigenze di frequenti avviamenti e fermate, e continue variazioni di velocità. Infatti, prima dell'avvento della possibilità di variare con continuità la frequenza delle fasi di alimentazione la velocità di rotazione di un motore asincrono dipendeva rigidamente dalla frequenza delle fasi, dallo schema di connessione dei motori, e dal numero dei poli utilizzati da ciascun motore. Di conseguenza, usando un numero limitato di queste configurazioni, un treno con alimentazione trifase poteva viaggiare a un numero limitato di velocità, con "strappi" sia in partenza che in accelerazione, cosa che permetteva di riconoscere subito se si stava viaggiando in un treno con alimentazione asincrona. D'altra parte il favore per la corrente alternata trifase rispetto alla corrente continua nella trazione era giustificato dal fatto che a quel tempo vi erano serie difficoltà a produrre corrente continua a tensioni superiori a , e che i dispositivi di conversione in continua della corrente alternata ad alta tensione erano poco affidabili perché rotanti.
La trazione trifase in Italia Tra il 1900 e il 1930 la trazione elettrica trifase sembrava essersi affermata definitivamente dato il vasto piano di elettrificazione ad alta tensione sulle linee ferroviarie più importanti del Centro-Nord. L'elettrificazione della linea dei Giovi (con locomotori del gruppo E 550 da ) risolse il problema del traino di treni pesanti in galleria e in forte pendenza. La soluzione fu pienamente soddisfacente, sia dal punto di vista tecnico che da quello umano: con le lente motrici a vapore, infatti, erano frequenti gli svenimenti da anossia nel percorso a salire per i fumi stagnanti nei tunnel. Tali fatti produssero gravi incidenti e veri disastri, oltre che gli ovvi disagi per le persone.