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La ferrovia nacque per volere del Governo sabaudo che ne finanziò interamente la costruzione . I lavori iniziarono il 13 febbraio 1845 per terminare il 18 dicembre 1853 con il completamento del collegamento tra le due città per un totale di 166 chilometri.

Per attraversare l’appennino fu costruita la Galleria dei Giovi, lunga 3 254 metri e, all’epoca, la più lunga d’Italia.

La prima tratta, di soli 8 chilometri, da Torino Porta Nuova (allora costituita da un modesto baraccone di legno e da pochi binari) a Trofarello, venne aperta il 24 settembre 1848. Il giorno seguente iniziò il regolare servizio pubblico con sei coppie di treni che viaggiavano tra le 7 del mattino e le 19.

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Già in questa tratta si dovette costruire la prima opera importante realizzando un lungo ponte sul fiume Po nelle immediate vicinanze della stazione di Moncalieri.

Dopo soli 4 mesi, il 15 gennaio del 1849 venne aperta anche la seconda tratta di 46 chilometri che portava la ferrovia ad Asti.

Il 1º gennaio del 1850 la ferrovia arrivò a Alessandria e a Novi Ligure con l’entrata in esercizio di altri 56 chilometri e l’anno successivo, il 10 febbraio 1852, ad Arquata per un totale di 124 chilometri.

Nella tratta successiva ritornarono le grandi opere. Il prolungamento su Busalla, di altri 18 chilometri, venne aperto il 10 febbraio 1853 e per realizzarlo fu necessario costruire ben otto ponti e quattro gallerie di lunghezza variabile da 508 a 866 metri.

Il 18 dicembre dello stesso anno la linea venne completata con l’apertura degli ultimi 23 chilometri tra Busalla e Genova Piazza Principe.

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Per superare il lungo percorso a fortissima pendenza da Pontedecimo a Busalla, un gruppo di ingegneri, tra i quali il belga Maus e il savoiardo Sommeiller, studiarono nuovi tipi di locomotive, sempre costruite dalle officine dello Stephenson, denominate poi Mastodonte dei Giovi che, costituite da due macchine accoppiate fra di loro, servivano “al traghetto dei convogli sulla rampa del 36 per mille di cui l’eguale non si ha su altre strade ferrate esercitate con locomotive”.

Erano in grado di trainare treni di 130 tonnellate a 12 chilometri orari.

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