Гіроскопічний монорейл Бреннана — це поїзд початку 1900-х років, який, здавалося, кидав виклик законам фізики. Він не тільки ідеально балансував на одній рейці, але й загадковим чином нахилявся на поворотах без будь-якого втручання машиніста, інформує Ukr.Media.
Це був реальний винахід, представлений публіці в 1910 році його творцем Луїсом Бреннаном.
Переваги гіроскопічного монорейкового поїзда
Ідея полягала в тому, що використання однієї рейки замість двох зробить поїзди швидшими, а залізниці — дешевшими у будівництві.
Такий поїзд міг проходити повороти на більш високих швидкостях, не ризикуючи зійти з рейок, а для будівництва колій потрібно було б удвічі менше матеріалу. На відміну від сучасних монорейок, які охоплюють рейки, прокладені високо в повітрі, монорейковий поїзд Бреннана міг рухатися по існуючих залізничних коліях.
Хоча він і виглядав дещо ризиковано, за своєю конструкцією — був дуже стійким. В основі поїзда знаходився гіроскоп (обертовий пристрій, здатний зберігати незмінним напрямок своєї осі обертання в просторі), який коригував би нахил поїзда ще до того, як пасажири це помітять.
І це було вражаючим інженерним рішенням, особливо для 1910 року. Але як же все насправді працювало? Щоб краще зрозуміти, наскільки ідеально було рішення Бреннана, нам потрібно трохи розібратися в гіроскопах.
Принципи роботи гіроскопів
Основний принцип полягає в тому, що якщо дуже швидко розкрутити диск, його кутовий момент (також відомий як момент імпульсу — фізична величина, що характеризує кількість обертального руху) прагне зберегти його ідеальну стабільність.
Якщо спробувати нахилити його в одному напрямку, він починає обертатися навколо вертикальної осі. Це називається прецесією (явище, при якому вісь обертання тіла змінює свій напрямок у просторі під дією зовнішньої сили). Але якщо замість того, щоб нахиляти, ми змусимо його прецесувати, диск фактично нахилиться в протилежному напрямку.
Таким чином, коли диск нахиляється, це викликає прецесію, яка, у свою чергу, змушує його нахилятися проти первинної сили. Це додає додаткову прецесію, повертаючи диск у вихідне положення. Саме завдяки цьому гіроскоп завжди прагнутиме повернутися в стан рівноваги.
Бреннан побачив у цьому ключ до підтримання рівноваги свого поїзда. Тому й експериментував, встановивши маховик (масивне обертове колесо, що використовується як накопичувач кінетичної енергії) у модель поїзда і підключивши його до електродвигуна.
Спочатку це працювало, і кожен раз, коли поїзд починав падати, диск прецесував і утримував його у вертикальному положенні. Але у такої конструкції був один серйозний недолік.
Коли поїзд підходив до повороту, він негайно злітав з рейок. Проблема полягала в тому, що коли поїзд повертав, гіроскоп не повертав разом з ним, оскільки прагнув зберегти своє положення в просторі. Відносно поїзда, гіроскоп прецесував, що змушувало поїзд перекидатися і сходити з рейок.
Щоб вирішити цю проблему, Бреннан встановив у поїзд другий гіроскоп і змусив його обертатися в протилежному напрямку. Обидва були з'єднані зубчастою передачею, так що коли один гіроскоп прецесував, інший прецесував у строго протилежному напрямку. І коли поїзд входив у поворот, обидва гіроскопи прагнули зберегти колишній напрямок.
Але це було неможливо, бо зубчаста передача не дозволяла їм обертатися в одному напрямку. Таким чином, обидва гіроскопи були змушені повертати разом з поїздом, і ця небажана прецесія взаємно компенсувалася.
Це і було геніальним рішенням Бреннана, оскільки означало, що лише нахил поїзда міг впливати на гіроскопи.
Повнорозмірний прототип монорейки
Вирішивши ще одну проблему, Бреннан почав працювати над повнорозмірним прототипом, який міг би випробувати зі справжніми пасажирами.
В результаті вийшов 12-метровий, 22-тонний апарат з двома масивними гіроскопами, що обертаються зі швидкістю 3,5 тисячі об/хв. Але масштабування конструкції виявило нову величезну проблему.
Тепер, коли йшлося про серйозну вагу, гіроскопам доводилося боротися не тільки з їхнім власним обертанням, але й з силою тяжіння, що прагне перекинути поїзд. У меншій моделі Бреннана це було набагато легше подолати, але з 22 тоннами, що намагаються перевернути поїзд, гіроскопи повинні були бути набагато потужнішими.
Щоб поїзд Бреннана зберігав рівновагу, йому потрібно було долати власну вагу, яка постійно намагалася перекинути машину. При нахилі центр тяжіння зміщувався, і машина все сильніше прагнула вниз. Природної прецесії гіроскопів було недостатньо за силою або швидкістю, щоб зберегти стійкість поїзда, і тому Бреннан придумав нове рішення.
Він зрозумів, що ключ до всього — взяти під контроль прецесію гіроскопів. Цілеспрямовано змушуючи їх прецесувати швидше, ніж вони робили б це в звичайних умовах, можна було б застосувати більшу силу для вирівнювання апарата.
Бреннан підключив гіроскопи до бензинового двигуна і помістив їх у герметичні вакуумовані кожухи для зменшення тертя. Навіть якби живлення відключилося, гіроскопи продовжували б обертатися до 30 хвилин, перш ніж поїзд міг упасти.
Він також розмістив гіроскопи у єдиному карданному підвісі, який дозволяв усій системі обертатися навколо поздовжньої осі крену поїзда. Осі кожного гіроскопа виступали з кожуха і розташовувалися між двома направляючими пластинами, прикріпленими до шасі (основа, рама конструкції) поїзда.
Коли поїзд нахилявся, осі вступали в контакт з однією з пластин, і тертя змушувало їх котитися по пластині, як колесо по землі. Це змушувало гіроскоп прецесувати набагато швидше, ніж у попередній конструкції, повертаючи весь поїзд у рівновагу.
Рішення добре працювало для невеликих корекцій і змушувало поїзд нахилятися в поворотах, протидіючи відцентровій силі. Хоча це виглядало дивно, для пасажирів всередині поїзд відчувався абсолютно рівним, і навіть напої залишалися в склянках.
Але тут виникла нова проблема, вона полягала в тому, що вібрації змушували гіроскопи підстрибувати на направляючих пластинах, і вони ніколи не створювали плавного і пропорційного зусилля на поїзд.
Тоді Бреннан позбувся направляючих пластин і придумав ще краще рішення. Він закріпив гіроскопи на шасі поїзда, щоб вони оберталися разом з поїздом. Коли поїзд нахилявся, гіроскопи робили свою звичайну справу і починали прецесувати природним чином.
Як працював гіроскоп у монорейці Бреннана
Вісь на правому гіроскопі була безпосередньо з'єднана з механізмом, який керував виконавчим штоком (стержень, що передає зусилля). Цей шток був пов'язаний з важелем і двома клапанами, які контролювали потік стисненого повітря.
Стиснене повітря надходило по двох трубках у кінці великої труби, що проходила через центр гіроскопічної системи. Всередині цієї труби знаходилася зубчаста рейка (деталь із зубами для перетворення обертального руху в поступальний і навпаки), розташована між двома гіроскопами і здатна рухатися вперед-назад для їх обертання (викликання прецесії).
Коли поїзд нахилявся, гіроскопи починали прецесувати, і хитромудрий виконавчий важіль активував клапани. Закриваючи один з клапанів, стиснене повітря надходило по одній з трубок в один кінець великої труби.
Це збільшувало тиск, штовхаючи зубчасту рейку і змушуючи гіроскопи прецесувати в протилежному напрямку до тих пір, поки поїзд не повертався в рівновагу.
Все це відбувалося миттєво, і гіроскопи реагували, перш ніж поїзд встигав занадто сильно втратити рівновагу.
Ключовим моментом тут є те, що стиснене повітря діяло подібно до пневматичної або гідравлічної системи, дозволяючи меншій силі виробляти набагато більшу. Сила стисненого повітря рівномірно передається через повітря в трубі.
Як тільки вона досягає більшого поршня (пов'язаного з зубчастою рейкою), та ж сама сила множиться на більшу площу — і тому цей поршень переміщується зі значно більшою силою, ніж та, яку застосували гіроскопи.
Ця геніальна система брала силу нахилу поїзда і множила саму на себе, щоб створити поїзд, який завжди прагнув залишатися в горизонтальному положенні. Бреннан нарешті довів свою конструкцію до досконалості. Його поїзд був настільки стійким, що навіть якби всі пасажири встали на один бік, він залишався б ідеально збалансованим.
Його прототип мав величезний успіх, і в той час дійсно здавалося, що це майбутнє. Але, на жаль, інвестори не були впевнені в надійності конструкції, а той факт, що кожний вагон поїзда вимагав власного гіроскопа, поставив хрест на проекті. Дворейкові поїзди до того часу вже міцно утвердилися, і поїзд Бреннана був значною мірою забутий.
Як би там не було, дивовижно відкривати подібні неймовірні винаходи і оцінити ідеї геніїв, що стоять за їхнім створенням.
Джерело: ukr.media
