Гіроскопічна монорейка Бреннана являє собою потяг початку 20-го століття, який, здавалося, кидав виклик фундаментальним принципам фізики. Він не лише підтримував ідеальний баланс на одній рейці, але й інтригуюче долав криві без будь-якої участі оператора, як повідомляє Ukr.Media.
Цей чудовий винахід був представлений світові в 1910 році його винахідником Луїсом Бреннаном.
Переваги гіроскопічного монорейкового поїзда
Ідея полягала в тому, що використання однієї колії замість двоколійної системи збільшить швидкість поїздів і зменшить витрати на будівництво залізниць.
Такий поїзд міг проходити повороти зі збільшеною швидкістю без небезпеки сходу з рейок, вимагаючи лише вдвічі менше матеріалів для будівництва колії. На відміну від сучасних монорейок, які використовують естакадні колії, монорейка Бреннана була здатна працювати на вже існуючих залізничних лініях.
Хоча конструкція поїзда здавалася дещо ненадійною, вона демонструвала надзвичайну стійкість. Центральним елементом поїзда був гіроскоп (пристрій, який обертається та підтримує орієнтацію своєї осі обертання в просторі), який регулював нахил поїзда ще до того, як пасажири це усвідомлювали.
Це був вражаючий інженерний подвиг, особливо для 1910 року. Але як він функціонував? Щоб повністю зрозуміти геніальність конструкції Бреннана, нам потрібно заглибитися в основи гіроскопів.
Принципи роботи гіроскопів
Фундаментальний принцип полягає в тому, що коли диск швидко обертається, його кутовий момент (також званий обертальним моментом — фізична міра обертального руху) прагне зберігати свою стійкість.
Якщо спробувати нахилити його в одному напрямку, він почне обертатися навколо своєї вертикальної осі. Це явище відоме як прецесія (процес, при якому вісь обертання тіла змінює напрямок під дією зовнішньої сили). Однак, якщо замість нахилу викликати прецесію, диск фактично нахилиться в протилежному напрямку.
Таким чином, коли диск нахиляється, він ініціює прецесію, яка згодом змушує його нахилятися проти початкової сили. Це викликає подальшу прецесію, повертаючи диск до його початкової орієнтації. Ця характеристика пояснює, чому гіроскоп постійно прагне повернутися до свого стабільного стану.
Бреннан визнав це важливим елементом для підтримки рівноваги свого поїзда, що спонукало його експериментувати з маховиком (великим обертовим колесом, призначеним для накопичення кінетичної енергії) у моделі поїзда, який був з'єднаний з електродвигуном.
Спочатку вона працювала добре, оскільки щоразу, коли поїзд починав нахилятися, диск прецесував, утримуючи його у вертикальному положенні. Однак у цій конфігурації був один суттєвий недолік.
Коли поїзд наближався до повороту, він миттєво сходив з рейок. Проблема виникала через те, що гіроскоп не обертався разом із поїздом, оскільки той намагався зберегти своє положення в просторі. Ця відносна прецесія гіроскопа призводила до перекидання поїзда та сходу з рейок.
Щоб виправити цю проблему, Бреннан вбудував у поїзд другий гіроскоп, обертаючи його у протилежному напрямку. Два гіроскопи були з'єднані між собою за допомогою шестерень, що гарантувало, що коли один гіроскоп переміщався, інший переміщався у прямо протилежному напрямку. Отже, коли поїзд входив у поворот, обидва гіроскопи намагалися підтримувати вирівнювання в одному напрямку.
Однак це було неможливо, оскільки зубчаста передача заважала їм обертатися синхронно. В результаті обидва гіроскопи були змушені обертатися разом із поїздом, фактично нейтралізуючи небажану прецесію.
Це було геніальне рішення Бреннана, яке дозволяло впливати на гіроскопи лише нахилу поїзда.
Повномасштабний прототип монорейки
Вирішивши ще одну проблему, Бреннан розпочав роботу над повнорозмірним прототипом для тестування з реальними пасажирами.
Результатом стала 12-метрова 22-тонна машина з двома потужними гіроскопами, що оберталися зі швидкістю 3500 об/хв. Однак масштабування конструкції виявило нову значну проблему.
Зі збільшенням ваги гіроскопи мали справлятися не лише з обертанням, але й із силою тяжіння, яка намагалася перекинути поїзд. З цим було значно легше впоратися в меншій моделі Бреннана, але оскільки 22 тонни намагалися перекинути поїзд, гіроскопи мали бути набагато потужнішими.
Щоб поїзд Бреннана залишався збалансованим, йому потрібно було протидіяти власній вазі, яка наполегливо намагалася перехилити транспортний засіб. Коли він нахилявся, центр ваги зміщувався, що змушувало вагон падати. Природна прецесія гіроскопів була недостатньо сильною чи швидкою для стабілізації поїзда, що спонукало Бреннана розробити новий підхід.
Він усвідомлював, що контроль прецесії гіроскопів має вирішальне значення. Навмисно прискорюючи їхню прецесію понад нормальний рівень, він міг би докладати більше зусиль для стабілізації апарату.
Бреннан підключив гіроскопи до бензинового двигуна та помістив їх у герметичні вакуумні відсіки, щоб мінімізувати тертя. Навіть у разі відключення електроенергії гіроскопи могли продовжувати обертатися до 30 хвилин, перш ніж поїзд втрачав рівновагу.
Він також розташував гіроскопи в одному карданному підвісі, що дозволило всій системі обертатися навколо поздовжньої осі поїзда. Осі кожного гіроскопа виступали з корпусу та розташовувалися між двома напрямними пластинами, прикріпленими до шасі поїзда (фундаментальної конструкції).
Коли поїзд нахилявся, осі торкалися однієї з пластин, і тертя змушувало їх котитися по пластині, як колесо по землі. Ця дія сприяла б прецесії гіроскопа набагато швидше, ніж у попередній конструкції, відновлюючи рівновагу всього поїзда.
Це рішення ефективно врахувало незначні коригування та змусило поїзд нахилятися на поворотах, протидіючи відцентровій силі. Хоча це здавалося нетрадиційним, пасажири всередині поїзда відчували ідеально рівну їзду, і навіть напої залишалися непорушними в їхніх склянках.
Однак виникла нова проблема, оскільки вібрації призводили до того, що гіроскопи підстрибували на напрямних пластинах, що заважало їм створювати плавну та пропорційну силу на поїзд.
Тому Бреннан відмовився від напрямних пластин і розробив ще ефективніше рішення. Він встановив гіроскопи безпосередньо на шасі поїзда, що дозволило їм обертатися вздовж нього. Коли поїзд нахилявся, гіроскопи виконували свою звичайну функцію та починали природним чином прецесувати.
Джерело: ukr.media
