thumb|right|300px|Tren Aeromóvil en la línea de prueba de Porto Alegre (década de 1980). La viga situada debajo del tren forma el conducto de aire. El vehículo está conectado a una placa de propulsión en el conducto accionada por presión de aire
Un ferrocarril atmosférico se caracteriza por utilizar una diferencia de presión de aire con respecto a la presión atmosférica para suministrar energía de propulsión a un vehículo de transporte ferroviario. De esta manera, una fuente de energía estática puede transmitir energía motriz al vehículo, evitando la necesidad de transportar equipos generadores de energía móviles. El aire comprimido o sometido a un vacío parcial (es decir, a una presión relativa negativa) se puede transportar hasta el vehículo mediante una tubería continua, en la que el vehículo dispone de un pistón que puede deslizar por el tubo. Se requiere algún tipo de ranura que se pueda volver a sellar para permitir que el pistón se una al vehículo, aunque de forma alternativa, todo el vehículo puede actuar como pistón en un tubo grande o bien acoplarse electromagnéticamente al pistón.
Se propusieron distintas variantes de este principio de funcionamiento a principios del , llegando a desarrollarse varias aplicaciones prácticas, pero todas se acabaron abandonando en unos pocos años debido a desventajas imprevistas.
Posteriormente, se ha desarrollado un sistema patentado moderno que está en uso para aplicaciones de corta distancia. La conexión del Metro de Porto Alegre con el aeropuerto en Porto Alegre, en Brasil, es una de ellas.
Historia En los primeros días de los ferrocarriles, vagones individuales o en grupo eran propulsados por la fuerza humana o por caballos. A medida que se entendió la potencia mecánica, se desarrollaron los motores de vapor que dieron origen a las locomotoras, los caballos de hierro. Estas primeras máquinas tenían serias limitaciones, y en particular, al ser mucho más pesadas que los vagones en uso, rompían los rieles, y la deficiente adherencia en el contacto entre ruedas y carriles de hierro suponía una fuerte limitación, como se pudo comprobar en las pruebas pioneras realizadas en el Ferrocarril de Kilmarnock y Troon.
En consecuencia, muchos ingenieros dirigieron su atención al uso de fuentes de energía estáticas, "motores estacionarios" capaces de poner un tren en movimiento. Tales motores podrían ser más robustos y con más espacio disponible, y por lo tanto más potentes. La solución para transmitir la energía, mucho antes de que la tracción eléctrica fuese una realidad práctica, era el uso de sistemas por cable o bien de sistemas que aprovechaban una diferencia de presión de aire.
Medhurst En 1799, George Medhurst de Londres discutió la idea de mover mercancías neumáticamente a través de tuberías de hierro fundido, y en 1812 propuso hacer volar los vagones de pasajeros a través de un túnel.R. A. Buchanan, The Atmospheric Railway of I.K. Brunel, Social Studies of Science, Vol. 22, No. 2, Symposium on 'Failed Innovations' (May 1992), pp. 231–2.
Para ello, propuso dos sistemas alternativos: el vehículo en sí era el pistón o el tubo era relativamente pequeño y alojaba un pistón separado. Nunca patentó sus ideas y no las llevó más allá.Howard Clayton, The Atmospheric Railways, self-published by Howard Clayton, Lichfield, 1966
Vallance En 1824, un inventor apellidado Vallance registró una patente y construyó una pequeña línea de demostración. Su sistema consistía en un tubo de hierro fundido de de diámetro con rieles empotrados en la parte inferior; el vehículo tenía el tamaño completo del tubo y se usaba piel de oso para sellar el espacio anular. Para reducir la velocidad del vehículo, se abrían unas compuertas en cada extremo del vehículo. El sistema de Vallance llegó a funcionar, pero no fue adoptado comercialmente.
Pinkus right|thumb|300px|Llegada a Kingstown del ferrocarril atmosférico de Dalkey en 1844
En 1835, Henry Pinkus patentó un sistema con un tubo de sección cuadrada de con un bajo grado de vacío, limitando las pérdidas por fugas.Charles Hadfield, Atmospheric Railways, Alan Sutton Publishing Limited, Gloucester, 1985 (reprint of 1967), Más adelante lo cambió por un tubo de vacío circular de pequeño calibre. Propuso sellar la ranura que permitía conectar el pistón con el vehículo mediante una cuerda continua, de forma que unos rodillos situados en el vehículo levantaban la cuerda por delante de la conexión con el pistón y después la colocaban de nuevo en su posición original para sellar el tubo.
Construyó una línea de demostración junto al canal de Kensington y emitió un prospecto informando sobre la creación de la "Asociación Nacional de Ferrocarriles Neumáticos", pero su sistema fallaba debido a la elongación de la cuerda y no pudo interesar a los inversores. Sin embargo, su idea, una tubería de pequeño calibre con una ranura resellable, fue el prototipo de muchos de los sistemas posteriores.
Samuda y Clegg
Desarrollo de un sistema práctico Jacob y Joseph Samuda eran constructores navales e ingenieros, propietarios de la compañía Southwark Ironworks, y ambos pertenecían a la Institución de Ingenieros Civiles. Por su parte, Samuel Clegg era ingeniero especializado en instalaciones de gas, lo que propició que los tres colaborasen en el desarrollo de un ferrocarril atmosférico. Alrededor de 1835 leyeron los escritos de Medhurst y desarrollaron un sistema de tubería de vacío de pequeño calibre. Clegg trabajó especialmente en el diseño de una válvula de mariposa longitudinal para sellar la ranura de la tubería.
En 1838, obtuvieron una patente "para una nueva mejora en las válvulas" y construyeron un modelo a escala real en Southwark. En 1840, Jacob Samuda y Clegg arrendaron media milla de vía férrea del Ferrocarril del Oeste de Londres en Wormholt Scrubs (más tarde rebautizado como Wormwood Scrubs), donde la vía férrea aún no se había abierto al público. Aquel año, Clegg se trasladó a Portugal, donde estaba desarrollando su carrera en la industria del gas.
El sistema de Samuda empleaba una tubería de hierro fundido continua (articulada) colocada entre los rieles de una vía férrea; la tubería tenía una ranura en la parte superior. El vehículo principal de un tren era un "coche con pistón", que llevaba fijado un pistón que se insertaba en el tubo. Estaba sostenido por un sistema de soporte que pasaba a través de la ranura, de manera que el pistón estaba sujeto por delante del punto en el que el soporte salía de la ranura. A su vez, la ranura estaba sellada mediante una lengüeta de cuero continua que se abría inmediatamente por delante del soporte del pistón y que se cerraba de nuevo inmediatamente por detrás. Una estación de bombeo situada por delante del tren bombeaba el aire contenido en el tubo, lo que hacía que la presión del aire atmosférico situado por detrás del pistón lo empujase hacia adelante.
La demostración de Wormwood Scrubbs duró dos años. El tubo de tracción tenía de diámetro, y para bombear el aire se utilizaba un motor estacionario de 16 hp. La pendiente en la línea era constante de 1 por 115 (8,7 milésimas). En su tratado, que se cita a continuación, Samuda daba a entender que la tubería se usaría en una sola dirección, y el hecho de que solo se construyera una estación de bombeo sugiere que los trenes regresaban al punto de partida por gravedad, como se hizo más tarde en la línea de Dalkey (véase más abajo). Muchos de los recorridos eran demostraciones públicas. Samuda cita las cargas y el grado de vacío y la velocidad en algunos de los trayectos, aunque parece haber poca correlación entre ellos, como por ejemplo en:
11 de junio de 1840; 11 toneladas 10 cwt; velocidad máxima 22.5 mph; 15 pulgadas de vacío 10 de agosto de 1840: 5 toneladas 0 cwt; velocidad máxima 30 mph; 20 pulgadas de vacío.
Soluciones de la competencia Hubo un enorme interés público en las ideas que rodeaban a los ferrocarriles atmosféricos y, al mismo tiempo que Samuda desarrollaba su sistema, se propusieron otras ideas, entre las que se pueden reseñar las siguientes:
Nickels y Keane; debían impulsar los trenes bombeando aire en un tubo de lona continuo; el tren tenía un par de rodillos de presión que apretaban el exterior del tubo y la presión del aire empujaba el vehículo hacia adelante; el efecto era el contrario de apretar un tubo de pasta de dientes. Afirmaron haber realizado una demostración exitosa en un depósito de madera en Waterloo Road. James Pilbrow; propuso un pistón suelto equipado con una cremallera dentada; las ruedas dentadas serían giradas por el pistón mediante un husillo que pasaba a través de una junta hacia el exterior del tubo; el vagón delantero del tren tendría una cremallera correspondiente y sería impulsado hacia adelante por la rotación de las ruedas dentadas. Así, el vehículo mantendría exactamente el ritmo del pistón, sin ninguna conexión directa con él. Enrique Lacey; concibió un tubo de madera, hecho por toneleros como un barril largo y continuo con la ranura de apertura y una aleta de madera retenida por una bisagra de goma india. Clarke y Varley; desarrollaron una propuesta de tubos de chapa de hierro con rendija longitudinal continua. Si los tubos estuvieran hechos con estándares de precisión, el vacío mantendría la rendija cerrada, pero el soporte del pistón en el tren abriría la rendija lo suficiente para que pasara; la elasticidad del tubo lo cerraría de nuevo detrás del carro del pistón. José Shuttleworth; sugirió un tubo hidráulico; la presión del agua, en lugar de un vacío atmosférico parcial, impulsaría el tren. En zonas montañosas donde se dispusiera de abundante agua, sería innecesaria una estación de bombeo: el agua se utilizaría directamente. En lugar de la aleta para sellar la ranura en el tubo, una cuerda de sellado de forma continua, hecha de tela impregnada con caucho indio, estaría dentro de la tubería. Las guías en el pistón lo levantarían a su posición y la presión del agua lo mantendría en su lugar detrás del tren. El uso de una presión positiva permitió un mayor diferencial de presión que un sistema de vacío. Sin embargo, el agua de la tubería tendría que ser drenada manualmente por el personal en la tubería después de cada tren.
Tratado de Samuda thumb|right|Ilustración de Un tratado sobre la adaptación de la presión atmosférica a los fines de la locomoción en los ferrocarriles, de Samuda
En 1841, Joseph Samuda publicó su Tratado sobre la adaptación de la presión atmosférica a los fines de la locomoción en los ferrocarriles.J d'A Samuda, A Treatise on the Adaptation of Atmospheric Pressure to the Purposes of Locomotion on Railways, John Weale, London, 1841
Con una extensión de 50 páginas, contenía la descripción de su sistema; empezando por el tubo de tracción:
El funcionamiento de la válvula de cierre iba a ser crítico:
El carro del pistón abriría y luego cerraría la válvula:
También se describía la entrada y la salida de la tubería:
En ese momento, el ferrocarril se desarrollaba rápidamente y las soluciones a las limitaciones técnicas del momento se buscaban con entusiasmo, y no siempre se evaluaban racionalmente. El tratado de Samuda presentaba las ventajas de su sistema:
Transmisión de energía a los trenes desde centrales estacionarias (atmosféricas); lo que significaba que la maquinaria estática podría ser más eficiente en combustible. El tren se liberaría de la necesidad de llevar consigo la fuente de energía y el combustible. La potencia disponible para el tren sería mayor para poder superar pendientes más pronunciadas. En la construcción de nuevas líneas, esto reduciría enormemente los costos de construcción al permitir la reducción del volumen de movimiento de tierras y de la longitud de los túneles. La eliminación del tren de una pesada locomotora permitiría utilizar materiales de vía más ligeros y baratos.