Rautatie
Rautatie on liikenneväylä, jonka kulkualustana on yleensä kaksi rinnakkaista teräksistä "kiskoa". Kiskot on useimmiten altapäin tuettu poikittaisilla ratapölkyillä, jotka lepäävät sepelistä tehdyllä tukikerroksella. Rautatiellä kuljetetaan junilla rahtia ja matkustajia, ja liikenne on yleensä aikataulunmukaista.
Rautatie tarkoittaa koko raideliikenneväylää kaikkine siihen kuuluvine raiteineen, laitteineen ja järjestelmineen, kuten asemat, ratapihat, opastimet, sähköistys ja turvalaitteet.
Raide tarkoittaa kahden kiskon ja pölkytyksen muodostamaa yksittäistä väylää, jolla voi kulkea vain yksi juna kerrallaan. Junat ohjautuvat itsestään kiskojen mukaan, ja raiteelta toiselle siirryttäessä junan on kuljettava "vaihteiden" kautta.
Rata on hallinnollinen nimitys suunniteltavalle tai toteutettavalle rautatielle, joka valmistuttuaan yhdistää kaupunkeja, risteysasemia tai muita tärkeitä kohteita. Esimerkiksi suomalaisia ratoja ovat Vaasan rata (Tampere–Haapamäki–Vaasa), Savon rata (Kouvola–Kuopio) ja Lahden "oikorata" "(Kerava–Lahti)."
"Rataosat" ovat rautatien osuuksia tiettyjen rautatien solmukohtien välillä. Ne voivat muodostua yhdestä tai useammasta "raiteesta". Myös asemilla on yleensä useita rinnakkaisia raiteita, jolloin alueesta käytetään nimitystä "ratapiha".
Rautatien edeltäjänä voidaan pitää niitä puisia raideteitä, joita jo 1500-luvulla käytettiin muun muassa Keski-Euroopassa Harzin ja Tirolin vuorikaivoksissa, jotta kaivosvaunut kulkisivat helpommin. Kulumisen välttämiseksi käytettiin mutkapaikoissa rautaisia suojakiskoja tai kiskot päällystettiin rautalevyillä.
Kun raudan hinta laski tuntuvasti vuonna 1767, alettiin eräässä Englannin tehtaassa käyttää raiteina puun sijasta litteitä valurautaharkkoja, mikä osoittautui hyväksi valinnaksi. Vuoden 1808 jälkeen valurauta vaihtui kiskojen valmistusaineena takorautaan, ja vuonna 1820 siirryttiin valssilaitoksissa valmistettujen kiskojen käyttöön. Ensimmäiset rautatiet olivat suhteellisen epätasaisia, ja niitä pitkin vedettiin kolisevia rattaita ihmis- ja eläinvoimilla, kunnes höyryvoima otettiin käyttöön. Aluksi käytettiin kiinteitä höyrykoneita, jotka köysien avulla saattoivat vetää vaunuja esimerkiksi mäkeä ylös.
Liikkuvan höyrykoneen eli veturin rakentaminen oli mahdollista, kun höyrykone oli kehittynyt riittävän tehokkaaksi korkeapaineen käytön avulla. Richard Trevithick rakensi ensimmäisen käytössä olleen höyryveturin, joka vuonna 1804 veti 10 tonnin teräskuorman noin 16 km:n matkan Pennydaren teollisuusradalla Walesissä. Laajempaa käyttöä höyrykäyttöisillä vetureilla oli korvata hevoset Newcastlen ympäristön hiilikaivosten radoilla, joilla hiiltä siirrettiin satamaan. Siellä hiili oli halvempaa kuin hevosten rehu. Vuoden 1815 jälkeen muuallakin Englannissa tuli hiilestä rehua halvempaa, kun parlamentti sääti tuontiviljalle tullin, jolloin vilja hinta nousi korkeuksiin.
George Stephenson (1781–1848) esitti ratkaisun, jossa voimaa antava höyrysylinterin mäntä pyörittää kiertokangen avulla suoraan vetävää pyörää, mikä sitten säilyikin menetelmänä höyryvetureissa. George Stephensonin poika Robert Stephenson rakensi "Rocket"-veturin, jolla hän voitti vuonna 1829 kilpailun Liverpoolin ja Manchesterin välisestä liikenteestä. Kilpailussa "Rocket" veti viisinkertaisesti oman painonsa edestä kuormaa ja saavutti yhdellä täydellä henkilövaunulla 33 km/h keskinopeuden. Tästä alkoi rautateiden nopea leviäminen, ja jo vuonna 1840 Englannissa oli 3 000 kilometriä rautateitä.
Kiskojen avulla rautatieliikenteessä minimoidaan niin pyörien kitka kuin maaston muodoista tulevat mäet, kun ratalinja vedetään mäkien leikkauksissa ja rotkot ylitetään silloilla. Täydellinen tie on sileä, tasainen, kova ja suora. Autoteiden päällystäminen betonilla ja asfaltilla toi ne vasta 1900-luvulla tasolle, jolla rautatiet oli jo 1800-luvulla. Saksassa 1930-luvulla rakennettuja moottoriteitä alettiin kutsumaan sanalla ”Autobahn” (rautatie on saksaksi ”Eisenbahn”) ja ne olivat Saksan valtiorautateiden alaisuudessa.
Englannissa maa oli kallista, mutta työvoima halpaa, minkä vuoksi radat vedettiin suorinta tietä ja tehtiin paljon kaivantoja. Tästä oli seurauksena se, etteivät matkustajat juurikaan päässeet ihailemaan maisemia. Tämän vuoksi rautatieasemille syntyi jo 1840-luvulla kirjakauppoja ja kirjojen lainaustoimintaa tarjoamaan viihdykettä matkustajille.
Yhdysvalloissa teollinen vallankumous oli maanviljely- ja liikennevetoista. Rautatiet rakennettiin siellä usein ennen kuin teitä oli olemassa. Ensimmäinen manteren poikki johtanut rautatie valmistui vuonna 1869. Kun työvoima oli kallista, mutta maa halpaa, niin rautatiet rakennettiin kiertämään luonnon esteet. Ennen rautateitä tärkein kuljetusväline Yhdysvalloissa oli ollut joissa ja kanavissa kulkevat laivat. Rautatievaunutkin saivat vaikutteita kanavalaivoista, kun Yhdysvalloissa alettiin käyttää pitkiä teleillä olevia vaunuja, joissa oli keskikäytävä, penkit samaan suuntaan ja ovet vaunun päissä. Euroopassa vaunut olivat lyhyitä ja hevosvaunuista mallia saaneissa rautatievaunuissa oli erillinen uloskäynti jokaisesta hytistä, joissa istuttiin penkeissä vastakkain. Euroopassakin kävi ilmeiseksi, että matkustajien pitää pystyä vaunun kulkiessa pidemmillä matkoilla liikkumaan vessaan tai ravintolavaunuun. Tämä johti sivukäytävävaunujen kehittymiseen, jolloin vastakkain istuttavat hytit säilyivät.
Manner-Euroopan ensimmäinen rautatie rakennettiin vuonna 1832 Ranskaan, seuraavat vuosina 1835 Belgiaan ja Saksaan sekä 1838 Venäjälle. Rautatiet yhdistivät monilla alueilla kansakuntia taloudellisesti, poliittisesti, kulttuurisesti ja yhteiskunnallisesti. Afrikassa ja Aasiassa rautatiet palvelivat yleensä kolonialistisia tarkoitusperiä sekä edistivät vientikauppaa, ja kiskot vedettiinkin usein plantaaseilta ja kaivoksilta lähimpään satamaan.
Suomen ensimmäinen rautatie rakennettiin jo vuonna 1836 Taipaleen kanavan rakennustyömaalle lähellä Varkautta. Suomen ensimmäinen henkilöliikenteen rautatie rakennettiin Helsingistä Hämeenlinnaan 1858–1862. Seuraavaksi valmistuivat rataosuudet Riihimäki–Pietari 1869–1870, Hyvinkää–Hanko-rata 1873, Kerava–Porvoo 1874, Hämeenlinna–Tampere 1876 ja Turku–Toijala 1876. Savon rata avattiin 1889.
Vuonna 1924 rautateitä oli koko maailmassa 1 215 878 kilometriä, josta Euroopassa 374 415 kilometriä, Pohjois- ja Etelä-Amerikassa 601 914 kilometriä, Aasiassa 135 067 kilometriä, Afrikassa 55 520 kilometriä ja Australiassa 48 962 kilometriä. Vuonna 1923 oli rautateitä Yhdysvalloissa 404 513 kilometriä, Saksassa 57 245 kilometriä, Venäjällä 55 978 kilometriä, Ranskassa 52 737 ja Britteinsaarilla 38 287 kilometriä, Ruotsissa 15 502 kilometriä, Tanskassa 4 968 kilometriä, Suomessa 4 595 kilometriä, Norjassa 3 456 kilometriä, Latviassa 2 824 kilometriä ja Virossa 1 067 kilometriä.
Liikennettä rautateillä ohjataan opastimilla sekä radiopuhelimitse annettavilla suullisilla luvilla. Rautatieliikennepaikan eli yleiskielessä aseman sisäistä liikennettä nimitetään vaihtotyöksi, ja kahden liikennepaikan välistä liikennettä junaliikenteeksi riippumatta siitä, minkälainen yksikkö liikkuu.
Liikenneohjaaja huolehtii tarvittavan kulkutien muodostamisesta kääntämällä radan vaihteet, varmistamalla raiteiden käytön ja asettamalla opastimet vaadittavaan asentoon. Tässä työssä liikenneohjaajalla on yleensä käytössään turvalaitejärjestelmä, joka automaattisesti estää junaa tai vaihtotyöyksikköä joutumasta vaaralliselle, toiselle yksikölle varatulle raidealueelle.
Vaihtotyötä johtaa vaihtotyönjohtaja, ja sen suorittamiselle tulee olla liikenteenohjauksen lupa. Junan päällikkönä toimii veturinkuljettaja. Tavarajuna voi lähteä liikennepaikalta toiselle silloin, kun sillä on lähtölupa. Matkustajajunan lähtö edellyttää aikatauluaikaa, ja liikenneohjaajan annettua lähtöluvan kuljettajan on odotettava vielä konduktöörin antamaa ”valmis lähtöön” -opastetta.
Rautatiet voidaan jakaa tärkeytensä ja käyttötarkoituksensa mukaan pääratoihin, yhdysratoihin eli poikkiratoihin, rinnakkaisratoihin, sivuratoihin ja pistoratoihin. Kaupunkirata on ainoastaan kaupungin lähiliikenteeseen käytetty rautatien osuus, jossa ei kulje kaukoliikennettä, kuten tavara- tai pikajunia. Metrorata on yleensä yleisestä rautatieliikenteestä täysin erillinen, suurten kaupunkien sisäiseen matkustajaliikenteeseen suunniteltu ja rakennettu rautatie. Metrorataa käyttävä liikennejärjestelmä on yleisnimeltään metro.
Maaston mukaan rautatiet voidaan jakaa tasanko-, mäkimaa-, vuoristo- ja vuoriratoihin. Rakenteen perustella erotetaan tartunta- eli adheesioradat ja hammasradat. Suurkaupunkien alueella kulkevat radat rakennetaan usein joko tunneleihin (maanalainen rata) tai maan pintaa ylemmäksi (ilmarata tai korkorata).
Rautatielinjan suunnan määräämiseksi tehdään ensin taloudellinen ja tekninen tutkimus, jossa selvitetään rautatien kannattavuus ja rakennustöissä huomioon otettavat ympäristöseikat. Sen jälkeen seuraa linjan avaaminen ja raivaaminen, ojittaminen ja kuivaaminen, tasaus- ja pengerrystyöt, sepelöinti, kiskotus, siltojen ja tukimuurien rakennus sekä asemarakennusten, laiturien ja muiden rautatien käyttöön liittyvien rakennusten rakentaminen. Radan alusrakenne koostuu väli- ja eristyskerroksesta sekä mahdollisista suodatinkerroksesta ja routalevystä. Radan päällysrakenne koostuu tukikerroksesta sekä raiteesta. Raide koostuu ratapölkyistä, ratakiskosta, kiinnitys- ja jatkososista sekä vaihteista ja muista erikoisrakenteista. Ratapenger sisältää radan rakennekerroksien lisäksi mahdollisen pengertäytteen.
Yksiraiteisen rautatien rakentaminen vaatii kiskoihin noin 108–120 tonnia terästä kilometriä kohden raiteen jykevyydestä riippuen (UIC-54- ja UIC-60-kiskot). Sata kilometriä pitkään yksiraiteiseen rautatiehen tarvitaan siis 10 800–12 000 tonnia terästä kiskoja varten ja kaksiraiteiseen rautatiehen luonnollisesti kaksinkertainen määrä. Terästonnin tuotanto kuluttaa energiaa noin 21,6 GJ eli 6 MWh. Yksiraiteisen rautatien kiskoihin kuluu näin energiaa 648–720 megawattituntia kilometriä kohden ja sataan kilometriin 64,8–72 GWh. Ratapölkkyjen tiheys vaihtelee, mutta yleensä ne asennetaan noin 60 senttimetrin välein. B70-malliset ratapölkyt ovat betonia ja painavat 300 kilogrammaa kappale. Kilometrin pituiselle yksiraiteiselle rautatielle kyseisiä ratapölkkyjä menisi siis 1 667 kappaletta, ja ne painaisivat yhteensä 500 tonnia. Betonitonnin valmistus kuluttaa energiaa noin 1,4 GJ eli 389 kWh. Ratapölkyt kilometrin matkalle kuluttaisivat energiaa siis noin 194 MWh ja sadan kilometrin matkalle noin 19,4 GWh.
Radan poikkileikkausmuodot eli normaaliprofiilit riippuvat radan pölkytyksestä, tukikerrosmateriaalista ja nopeudesta. Tukikerros tehdään yleensä sepelistä, mutta soratukikerroksellisia raiteita on yhä käytössä. Sepelitukikerroksen paksuus on puupölkyillä 450 millimetriä ja betonipölkyillä 550 millimetriä. Tukikerroksen leveys riippuu nopeudesta ja siitä, onko kyseessä jatkuvakiskoraide vai lyhyt- tai pitkäkiskoraide. Lyhyt- ja pitkäkiskoraiteissa kiskot liitetään toisiinsa sidekiskoin.
Radan kaarteet ovat ympyrän kaaria, jotka yhtyvät siirtymäkaarilla suoraan osuuteen tai toiseen ympyräkaareen. Pääraiteen kaarteissa käytetään yleensä raiteen kallistusta. Kallistus ilmoitetaan millimetreinä, ja sillä tarkoitetaan sisä- ja ulkokiskon välistä korkeuseroa. Kallistusta ja siirtymäkaaria käytetään harvoin sivuraiteissa. Kaarresäde riippuu mitoitus- tai tavoitenopeudesta. Esimerkiksi 50 km/h tavoitenopeuden mukainen suositeltava kaarresäde on 300–500 m. Tavoitenopeuden ollessa 250 km/h suositeltava kaarresäde on 4 500–9 000 m. Raideleveyttä kasvatetaan kaarresäteen ollessa pienempi kuin 220 m. Pienet kaarresäteet voivat rajoittaa liikennöintiä, liikennöintinopeutta tai lisätä kunnossapitotarvetta. Radalla käytettävään suurimpaan sallittuun nopeuteen vaikuttavat raidegeometrian lisäksi muun muassa akselipaino, turvalaitetekniikka, tasoristeykset ja laituripolut.
Suomessa raiteen suurin sallittu pituuskaltevuus on 15 promillea pelkän matkustajaliikenteen radoilla sekä sivuraiteilla ja 12,5 promillea muilla radoilla. Liikennevirasto voi tapauskohtaisesti myöntää luvan jopa 35 promillen pituuskaltevuudelle. Suurin käytössä oleva pituuskaltevuus on 22,5 promillea (Huopalahti–Vantaankoski). Liikennepaikat pyritään rakentamaan alle 1,5 promillen kaltevuuteen. Suuret pituuskaltevuudet vaikeuttavat junan kulkua, pysäyttämistä sekä liikkeellelähtöä.