II. Ueber Herrn Barlow's Versuche uͤber die Staͤrke der Schienen fuͤr Eisenbahnen. Aus dem Mechanics' Magazine, No. 612. Barlow's Versuche uͤber die Staͤrke der Schienen fuͤr Eisenbahnen. Als die HH. Barlow, Wood und Rastrick, welche von den Directoren der London- und Birmingham-Eisenbahn zu Schiedsrichtern uͤber die Ertheilung des von ihnen fuͤr die beste Form der Eisenbahnschienen, Lager etc. ausgeschriebenen Preises bestellt waren, in ihrem Berichte gewisse vorgelegte Muster (naͤmlich jene der HH. Duglish und jene des Hrn. Swainburn) fuͤr die besten erklaͤrten, fuͤgten sie zugleich die Bemerkung bei, daß sie dieselben dennoch nicht zu einer Probe oder zu einem Versuche empfehlen koͤnnten. Als Grund hiefuͤr gaben sie an, daß es ihnen an Daten daruͤber fehle, welche von den vorgeschlagenen Schienen sich unter einem daruͤber laufenden Gewichte als die staͤrksten und festesten zeigten, und ob die permanente Fixirung der Schiene an dem Lager, wozu einige Vorschlaͤge gemacht wurden, in der Praxis gehoͤrige Sicherheit gewaͤhre. Da uͤber diese Punkte nie Versuche mit Schmiedeisen angestellt worden waren, so hielten sie es fuͤr besser, diese Fragen unaufgeloͤst zu lassen, als auf bloße Meinung gestuͤzt einen kostspieligen Versuch, der am Ende zu einem Mißlingen fuͤhren koͤnnte, zu empfehlen. Da es jedoch sehr wuͤnschenswerth war, solche Daten zu besizen, so erklaͤrte sich Hr. Barlow den Directoren der Eisenbahncompagnie bereit, eine Reihe von Versuchen hieruͤber anstellen zu wollen, wenn ihm die Admiralitaͤt die Benuzung der an der Werfte von Woolwich bestehenden Gelegenheit gestattete, und wenn ihm die Directoren die hiezu noͤthigen Instrumente, Materialien und Arbeiter liefern wuͤrden. Die Admiralitaͤt und die Directoren der Compagnie erklaͤrten sich hiezu bereit, und Hr. Barlow begann daher seine Versuche, die er in vier Abtheilungen brachte. Gegenstand der ersten Abtheilung war Ausmittelung der Ausdehnung einer Eisenstange von gegebenem Flaͤcheninhalt unter verschiedenen Graden von Spannung, und folglich auch der Kraft, mit der sich dieselbe Stange bei einer gegebenen Erniedrigung der Temperatur zusammenzieht. In der zweiten Abtheilung bezwekte er Ermittelung des vergleichsweisen Widerstandes von Schmiedeisen gegen Ausdehnung und Compression, und folglich der Stellung der neutralen Achse; in der dritten suchte er die Gestalt der Durchschnittsflaͤche ausfindig zu machen, welche bei einer und derselben Menge an Stoff oder Substanz die groͤßte Staͤrke gibt; und in der vierten endlich trachtete er zu erforschen, welche Gewalten Eisenstaͤbe von bestimmten Durchschnitten auszuhalten im Stande sind, ohne daß fuͤr ihre Elasticitaͤt ein Nachtheil daraus erwaͤchst. Hr. Barlow haͤndigte den Directoren eine Abhandlung uͤber saͤmmtliche Details dieser Versuche ein, und fuͤgte derselben auch noch einen Bericht uͤber die Resultate, zu denen er gelangte, und einige praktische Rathschlaͤge fuͤr die Compagnie bei. Die Directoren haben ihm dafuͤr die vollkommenste Zufriedenheit mit seinen Arbeiten ausgedruͤkt, und beschlossen, seine Abhandlung zum Besten aller anderen Eisenbahnunternehmungen bekannt zu machen.Das Werkchen ist bereits unter folgendem Titel erschienen: „Experiments on the Transverse Strength and other Properties of Malleable Iron, with Reference to its uses for Railway Bars: and a Report founded on the same, addressed to the London and Birmingham Railway Company. By Peter Barlow F. R. S. 8. London, 1835. By Fellowes.“ 97 Pag. Wir glauben unseren Lesern daher einen angenehmen Dienst zu erweisen, wenn wir ihnen das Wesentlichste dieser Zusammenstellung in der Sprache des Verfassers selbst mittheilen, um sie noch mehr auf das Schaͤzenswerthe seiner Abhandlung aufmerksam zu machen. „Es ergab sich aus meinen Versuchen, sagt Hr. Barlow, daß eine schmiedeiserne Stange von irgend einer Laͤnge durch eine directe Gewalt von einer Tonne per Zoll auf ihren Durchschnittsflaͤchenraum um den 1/10000 Theil ihrer Laͤnge ausgedehnt wird; und daß, wenn eine Gewalt von 10 Tonnen auf jeden Zoll wirkte, oder wenn die Stange also um den tausendsten Theil ihrer Laͤnge ausgedehnt wurde, deren Elasticitaͤt solchen Schaden litt, daß die Stange nach Entfernung der Gewalt nicht mehr zu ihrer fruͤheren Laͤnge zuruͤkkehrte.“ „Da nun die Zusammenziehung des Eisens zwischen Sommer und Winter 1/2000 seiner Laͤnge betraͤgt, so folgt hieraus, daß die Schienen unmoͤglich auf bleibende oder permanente Weise auf ihren Lagern und Bloͤken befestigt werden koͤnnen, ohne daß man Gefahr laͤuft, ihnen so viel von ihrer Kraft zu entziehen, daß sie ein bedeutendes daruͤber laufendes Gewicht ohne Nachtheil zu ertragen im Stande sind.“ „Hieraus folgt aber ferner, daß, wenn die Schienen nicht auf directe Weise bleibend an den Lagern befestigt werden koͤnnen, dieß auch nicht auf indirecte Weise, naͤmlich durch Schluͤssel, Keile etc. versucht werden soll; denn die Schienen werden auch durch diese fest an die Lager gehalten, oder sie werden es nicht. Im ersteren Falle bewirken sie vollkommen dieselben Nachtheile, wie eine bleibende Befestigung, und im lezteren geben sie nach, wo sie dann nicht gut thun, wohl aber Schaden bringen koͤnnen. Ich muß daher schließen, daß die Schienen keine staͤrkere Befestigung an den Lagern bekommen sollen, als eben nothwendig ist, um sie waͤhrend des Daruͤbergleitens der Lasten staͤtig zu erhalten.“ „Meine naͤchsten Versuche waren auf Erforschung der Stellung der neutralen Achse im Schmiedeisen gerichtet; denn ohne dieses Datum laͤßt sich die Staͤrke der Schienen von verschiedenem Querdurchschnitte weder berechnen, noch mit einander vergleichen, ohne daß man sich wirklich solche Schienen verfertigt, und diese dann durch Versuche erprobt. Auch bei diesen Forschungen kam ich zu meiner Freude zu einem ganz entsprechenden Resultate; denn ich kam zu sehr einfachen Formeln, nach denen Jedermann mit großer Genauigkeit die Tragstaͤrke einer Stange von beliebigem Durchschnitte innerhalb der Glaͤnzen ihrer Elasticitaͤtskraft, so wie auch den Grad der Biegung, den sie unter dieser oder irgend einer anderen geringeren Last erleidet, berechnen kann. Ich habe mit Huͤlfe dieser Mittel in meiner Abhandlung bewiesen, daß sich gewisse praktisch brauchbare Formen paralleler Schienen ausfindig machen lassen, welche bei gleichem Gewichte und in der Mitte belastet, eben so stark sind, als die fischbauchfoͤrmigen (fish-bellied) Schienen, waͤhrend sie an allen anderen Punkten noch staͤrker sind, als diese. Ich bin hienach und aus anderen in meiner Abhandlung angegebenen Gruͤnden vollkommen uͤberzeugt, daß die parallelen Schienen, wenn sie in gehoͤrigen Verhaͤltnissen gebaut sind, unter allen die besten sind.“ Jedermann, der mit den Eisenbahnen praktisch bekannt ist, wird die Neuheit und Wichtigkeit dieser Resultate einsehen. Die Ansichten der Ingenieure uͤber die Vorzuͤge der fischbauchfoͤrmigen und der parallelen Schienen waren bisher sehr getheilt. Georg Stephenson und dessen Sohn R. Stephenson waren bisher die Vertheidiger der ersteren; und daher sind auch an den von ihnen erbauten Eisenbahnen von Stockton und Darlington, Liverpool und Manchester etc. fischbauchfoͤrmige Schienen gelegt. Vignoles hingegen gab den parallelen Schienen den Vorzug, und wendete dergleichen auch an den von ihm erbauten Eisenbahnen von Wigan, St. Helens und Dublin an. Da Hrn. Barlow's Ansicht wahrscheinlich als entscheidend gelten duͤrfte, so wollen wir hier auch noch die Gruͤnde beifuͤgen, auf die er sich hiebei stuͤzt. „Es scheint mir, sagt Hr. Barlow, daß es jederzeit moͤglich ist, parallele Schienen von guten praktisch brauchbaren Proportionen, und die dabei nicht schwerer sind, als die fischbauchfoͤrmigen, zu bauen; ich bin daher nach reiflicher Erwaͤgung aller Gruͤnde, die zur Vertheidigung lezterer vorgebracht wurden, uͤberzeugt, daß die parallelen Schienen die besten seyen, und zwar aus folgenden Gruͤnden.“ „1) Weil sie, wenn auch nicht an dem mittleren Punkte, doch an allen uͤbrigen Stellen merklich staͤrker und steifer sind.“ „2) Die Biegung einer parallelen Schiene beim Daruͤbergehen einer Last ist uͤberall geringer, als in der Mitte, was bei den fischbauchfoͤrmigen Schienen nicht der Fall ist. Das Steigen und Fallen der Wagen, welches Statt findet, wenn dieselben uͤber einen Stuͤzpunkt gegangen sind, erfolgt daher in dem einen Falle rascher, als in dem anderen, und diesem Umstande vielmehr, als einem Mangel an durch und durch gleichmaͤßiger Staͤrke schreibe ich es zu, daß die fischbauchfoͤrmigen Schienen so haͤufig in geringer Entfernung von ihren Stuͤzpunkten nachgaben. Da uͤberdieß an diesen Schienen bisher gegen den Stuͤzpunkt hin ein wirklicher Mangel an Gleichmaͤßigkeit der Staͤrke Statt fand, so wurden dadurch die Bruͤche ohne Zweifel sehr beguͤnstigt. Hr. Stephenson hat dieß zwar durch eine kluge und wissenschaftlich begruͤndete Vertheilung des Metalles in den Schienen so zu vermeiden gewußt, daß an seinen Schienen solche Bruͤche seltener vorkommen duͤrften, als an den gewoͤhnlichen; allein der Einwurf, den ich eben machte, bezieht sich nicht bloß auf die fischbauchfoͤrmige, sondern auch auf die vollkommen elliptische Gestalt, wenn sich eine solche wirklich erzielen ließe.“ „3) Die parallelen Schienen sind die besten, weil der Ingenieur hier die Bloͤke und Lager der beiden Schienen einander gerade gegenuͤber anbringen kann, so daß die Raͤder des Wagens uͤber beide Stuͤzpunkte zu einer und derselben Zeit gehen: ein Umstand, den man bisher noch viel zu wenig beachtet zu haben scheint. Es unterliegt keinem Zweifel, daß die Bewegung eines Locomotivwagens aus einem fortwaͤhrenden Auf- und Niedersteigen besteht; und hieraus folgt, daß die Bewegung weit leichter und besser von Statten gehen muß, wenn sich die gegenuͤberstehenden Raͤder gleichzeitig nach Auf- oder Abwaͤrts bewegen, als wenn ein Rad steigt, waͤhrend das andere faͤllt, und umgekehrt. Der Unterschied ist jenem zwischen einem Schiffe, welches mit dem Vordertheile gegen die Wogen steht, und einem Schiffe, welches seine Richtung schief nimmt, vollkommen aͤhnlich; und wer nur je ein Mal an die See gekommen ist, wird wissen, was dieß fuͤr ein Unterschied ist.“ „Man wird mir zwar einwenden, daß die Wagen der Eisenbahn oder die Biegungen der Schienen nur sehr klein sind, dagegen bemerke ich aber, daß die Schwere und Geschwindigkeit der Wagen sehr groß ist, und daß es hoͤchst wuͤnschenswerth ist, daß jede moͤgliche Ursache eines Bewegungsmomentes entfernt werde: besonders wenn dieser Zwek sehr leicht erreicht werden kann. An den parallelen Schienen ist dieß nun der Fall, indem diese immer in bestimmten Laͤngen abgeschnitten werden koͤnnen; keineswegs gilt dieß aber von den fischbauchfoͤrmigen Schienen, indem hier der Eisenstab zuweilen in den Rollen gleitet. Fuͤr keinen Fall kann die Laͤnge der lezteren so beliebig abgeaͤndert werden, wie dieß an den parallelen Schienen moͤglich ist, und wie dieß auch durchaus nothwendig ist, wenn auch an den Kehrstellen die Tragbloͤke immer mit einander parallel erhalten werden sollen. Bei einer Kruͤmmung von 800 Fuß muͤssen z.B., wenn die Tragbloͤke mit einander parallel erhalten werden sollen, die inneren Schienen um einen Zoll kuͤrzer seyn, als die aͤußeren; und so leicht es an den parallelen Schienen ist, sie in einer Laͤnge von 14 Fuß 11 Zoll oder in einer Laͤnge von 15 Fuß abzuschneiden, so unthunlich ist dieß an den Schienen von anderer Form. Ich habe diese Frage ohne alle vorgefaßte Meinung erwogen, und bin vollkommen von der von mir aufgestellten Ansicht uͤberzeugt.“ Hr. Barlow macht in seinem Berichte noch einige weitere Bemerkungen uͤber die Wichtigkeit die Tragbloͤke der beiden Schienenlinien mit einander parallel zu erhalten, die uns alle Beruͤksichtigung zu verdienen scheinen, und die wir deßhalb gleichfalls ausziehen. „Man wird zwar sagen, daß ich in eine Menge Eroͤrterungen eingegangen bin, die weder hervorgerufen worden, noch praktisch anwendbar sind; dagegen muß ich aber fragen, woher denn die vielen Bruͤche, und die so oft noͤthigen Reparaturen kommen? – Es gibt keinen theoretischen Grund dafuͤr, warum ein mit einer großen Geschwindigkeit fortrollendes Gewicht mehr Schaden bringen sollte, als ein gleiches Gewicht, wenn sich dieses mit einer geringeren Geschwindigkeit bewegt: vorausgesezt, daß die Bahn vollkommen ist; das Ungluͤk liegt daher in der unvollkommenen praktischen Ausfuͤhrung, und in der Ruͤksichtslosigkeit, mit der man kleine Unebenheiten gewoͤhnlich betrachtet. Es gibt Viele, die vielleicht nie bemerkt haben, daß ein Unterschied, welcher an einem Verbindungslager in dem Niveau Statt findet, und der an den beiden an einander stoßenden Schienen nur 1/10 Zoll betraͤgt, bewirken wird, daß, wenn sich der Wagen mit seiner groͤßten Geschwindigkeit von dem hoͤheren zum niedrigeren Niveau bewegt, das Rad eine Streke von einem Fuß zuruͤklegen wird, ohne einen Druk auf die Schiene auszuuͤben; und daß folglich das ganze Gewicht, welches von beiden Schienen gleichmaͤßig getragen werden sollte, dann gaͤnzlich auf einer einzigen aufruhen wird. Und doch beruht dieß auf einem so natuͤrlichen Geseze, daß es gar nicht anders seyn kann; denn um in Folge der Schwere 1/10 Zoll hoch zu fallen, ist der vierundvierzigste Theil einer Secunde erforderlich, waͤhrend welcher sich der Wagen um einen Fuß vorwaͤrts bewegt haben wird, so daß folglich waͤhrend dieser Zeit die ganze Last nur auf einer einzigen Schiene ruhen muß. Man wird hiegegen bemerken, daß Federn angebracht sind, welche das Herabsinken der Raͤder durch die Schwere unterstuͤzen; allein ich fuͤrchte sehr, daß diese Huͤlfsmittel nicht wirksam genug seyn werden, und in jedem Falle geben sie keinen Grund, warum man nicht Alles gleich vorhinein so genau als moͤglich wachen sollte. Was endlich gar das Aneinandergraͤnzen der Schienen betrifft, so war ich erstaunt, von einem an der Liverpool-Manchester-Eisenbahn Angestellten zu hoͤren, daß die Schienen an einigen Stellen der Bahn 1/2 Zoll weit von einander entfernt waͤren, und daß man dieß durchaus nicht fuͤr nachtheilig halte. Allein dieß mag nachtheilig seyn oder nicht, so frage ich, warum man die Schienen 1/2 Zoll weit von einander abstehen lassen soll, wenn nie ein Raum von mehr dann 1/10, und mehr als die Haͤlfte des Jahres uͤber nicht einmal ein Raum von mehr als 1/20 Zoll zwischen denselben noͤthig ist, sobald beim Legen der Schienen die gehoͤrige Vorsicht beobachtet wurde? Bisher herrschte die Idee vor, daß beim Legen der Schienen zum Behufe der Ausdehnung 1/8 oder 1/10 Zoll zwischen den beiden Schienen gelassen werden muͤsse, und dieß befolgte man, welche Temperatur auch beim Baue der Bahn Statt fand. Wenn daher die Schienen im Sommer gelegt wurden, so wurde dieser 1/8 Zoll, im Winter zu 1/4 Zoll, wenn die Zusammenziehung in beiden angraͤnzenden Schienen nach einer und derselben Richtung erfolgte, und zu 1/3 Zoll, wenn sie nach entgegengesezter Richtung Statt fand. Um diesen Uebelstaͤnden vorzubeugen, sollten, wie ich es in meiner Abhandlung auseinandersezte, die Schienen nur an einem einzigen Lager befestigt, und der zwischen denselben zu lassende Raum je nach der Temperatur, bei der der Bau gefuͤhrt wird, durch drei Stahlplatten regulirt werden, von denen die eine fuͤr Temperaturen zwischen 15 und 35° F., die andere fuͤr Temperaturen von 35 bis 65° F., und die dritte fuͤr alle Temperaturen uͤber 65° F. bestimmt waͤre. Man wird zwar auch diesen Rath als eine unnoͤthige Kleinlichkeit betrachten, wogegen ich jedoch erwiedere, daß diese Genauigkeit die Kosten des Baues um gar nichts erhoͤht, und daher allerdings beruͤksichtigt werden duͤrfte.“ Die bei der Verfertigung paralleler Schienen zu beobachtenden Verhaͤltnisse muͤssen folglich von der Groͤße der lasten, die sie wahrscheinlich zu tragen haben werden, abhaͤngen. Die Regeln, welche Hr. Barlow zur Berechnung der Tragkraft der Schienen dieser Art angibt, sind, wie er sagt, so einfach, und in seiner Abhandlung durch einige vollkommen ausgefuͤhrte Beispiele so deutlich gemacht, daß sie Jedermann, der auch nur in der gewoͤhnlichen Arithmetik bewandert ist, vollkommen verstaͤndlich seyn werden. Die Verhaͤltnisse von Hrn. Barlow's Ideal einer guten Schiene sind folgende: die Hoͤhe soll durchaus 4 1/2 Zoll betragen; die Rippe (rib) soll 7/10 Zoll und das Bodenblatt (bottom-web) 1,39 Zoll Dike haben; ihr Gewicht soll 50 Pfd. per Yard betragen. Die Staͤrke oder absolute Elasticitaͤtskraft einer Schiene dieser Art belaͤuft sich auf 8 Tonnen, indem der Grad der Biegung bei dieser Last nur 0,55 betraͤgt, und also um 0,11 geringer ist, als bei gleicher Last an einer fischbauchfoͤrmigen Schiene. Gesezt nun, das groͤßte Gewicht eines Locomotivwagens sey 12 Tonnen, so wird die groͤßte Last, welche auf eine Schiene trifft, 6 und folglich um 2 Tonnen weniger ausmachen, als das Gewicht, welches eine derlei Schiene zu tragen im Stande ist. Hr. Barlow empfiehlt jedoch in solchen Faͤllen, die Staͤrke auf 9 Tonnen zu erhoͤhen, so daß hier ein Ueberschuß von 50 Procent bleibt, und er glaubt, daß sich dieß durch folgende leichte Modification der oben angegebenen Form der Schiene ohne alle Vermehrung ihrer Schwere vollkommen erreichen ließe. „Ich habe fuͤr den Kopf mehr Metall angegeben, als man allgemein an demselben anwendet; wuͤrde man diesen Ueberschuß auf das untere oder Bodenblatt uͤbertragen, so wuͤrde dieses die verlangte groͤßere Staͤrke bekommen; vielleicht duͤrfte uͤbrigens auch die mittlere Rippe eine leichte Reduction zulassen. In jedem Falle und unter Beibehaltung aller uͤbrigen Verhaͤltnisse koͤnnte man der Schiene die ganze Staͤrke von 9 Tonnen geben, wenn man dem Bodenblatte per Yard um 2 Pfd. Eisen mehr gaͤbe. Hier zeigt sich deutlich, um wie viel vortheilhafter es ist, nach Regeln, anstatt nach Gutduͤnken zu handeln; denn nach lezterem allein wuͤrde man hier wohl kaum glauben, daß eine Gewichtserhoͤhung von 1/25 die Staͤrke und Festigkeit der Schiene beilaͤufig um 1/9 erhoͤhen koͤnnte, obschon dieß unbestreitbar der Fall ist.“ Die Praktiker werden zwar Anstand nehmen, Regeln zu befolgen, die von dem, was bisher unter ihnen angenommen war, so sehr abweichen, und einige werden sogar fortfahren, wie bisher, auf die Unfehlbarkeit des Papstes unter den Eisenbahn-Ingenieuren (des Hrn. Stephenson) zu schwoͤren, und alle in ihren Ansichten von ihm Abweichenden als Theoretiker zu verschreien; allein man darf nicht vergessen, daß Hr. Barlow in seinem Berichte nichts empfahl, was sich nicht auf wirkliche Versuche gruͤndete, und zwar auf Versuche, wie sie nicht leicht jemand Anderer ausfuͤhrlicher und mit groͤßerer Genauigkeit anstellte.