Monorraíl Gyro

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Monorraíl de Brennan

El monorraíl gyro , monorraíl giroscópico , monorraíl giroestabilizada , o gyrocar son términos para un solo carril vehículo terrestre que utiliza el giroscópico acción de un hilado de la rueda para superar la inherente inestabilidad de equilibrio en la parte superior de un solo carril.

El monorraíl está asociado con los nombres Louis Brennan , August Scherl y Pyotr Shilovsky , quienes construyeron prototipos funcionales a gran escala durante la primera parte del siglo XX. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney desarrollaron una versión en los EE. UU. En 1962.

El monorraíl giroscópico nunca se desarrolló más allá de la etapa de prototipo.

La principal ventaja del monorraíl citado por Shilovsky es la supresión de la oscilación de caza , una limitación de velocidad que encontraban los ferrocarriles convencionales en ese momento. Además, es posible realizar giros más pronunciados en comparación con el radio de giro de 7 km típico de los trenes modernos de alta velocidad como el TGV , porque el vehículo se inclina automáticamente en las curvas, como un avión, ^{[1] de} modo que no se experimenta una aceleración centrífuga lateral. a bordo.

Un gran inconveniente es que muchos automóviles, incluidos los de pasajeros y de carga, no solo la locomotora, requerirían un giroscopio de encendido constante para mantenerse en posición vertical.

A diferencia de otros medios para mantener el equilibrio, como el desplazamiento lateral del centro de gravedad o el uso de ruedas de reacción , el sistema de equilibrio giroscópico es estáticamente estable, de modo que el sistema de control solo sirve para impartir estabilidad dinámica. Por lo tanto, la parte activa del sistema de equilibrado se describe con mayor precisión como un amortiguador de balanceo .

Antecedentes históricos

Monorraíl de Brennan

Ilustración de Harmsworth Popular Science que muestra el mecanismo del monorriel y (recuadro) Louis Brennan ^[2]

La imagen en la sección líder muestra el vehículo prototipo de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas) y 22 toneladas (peso en vacío) desarrollado por Louis Philip Brennan CB . ^[3] Brennan presentó su primera patente de monorraíl en 1903.

Su primer modelo de demostración fue una caja de 762 x 300 mm (30 x 11,8 pulgadas) que contenía el sistema de equilibrio. Sin embargo, esto fue suficiente para que el Consejo del Ejército recomendara una suma de £ 10,000 para el desarrollo de un vehículo de tamaño completo. Esto fue vetado por su Departamento Financiero. Sin embargo, el Ejército encontró £ 2,000 de varias fuentes para financiar el trabajo de Brennan.

Dentro de este presupuesto, Brennan produjo un modelo más grande, de 6,0 por 1,5 pies (1,83 por 0,46 m), mantenido en equilibrio por dos rotores de giroscopio de 5,0 pulgadas (127 mm) de diámetro. Este modelo todavía existe en el Museo de Ciencias de Londres . La pista para el vehículo se colocó en los terrenos de la casa de Brennan en Gillingham, Kent . Consistía en una tubería de gas ordinaria colocada sobre traviesas de madera, con un puente de cable de 50 pies (15 m), esquinas afiladas y pendientes de hasta uno de cada cinco. Brennan demostró su modelo en una conferencia ante la Royal Society en 1907 cuando se lo mostró corriendo de un lado a otro "sobre un cable delgado y enseñado" "bajo el perfecto control del inventor". ^[4]

El ferrocarril de escala reducida de Brennan reivindicó en gran medida el entusiasmo inicial del Departamento de Guerra . Sin embargo, la elección en 1906 de un gobierno liberal , con políticas de reducción financiera, detuvo efectivamente la financiación del Ejército. Sin embargo, la Oficina de la India votó un anticipo de £ 6,000 (equivalente a £ 639,401 en 2019) en 1907 para desarrollar el monorraíl para la región de la Frontera Noroeste , y el Durbar adelantó otras £ 5,000 (equivalente a £ 525,892 en 2019). de Cachemira en 1908. Este dinero casi se gastó en enero de 1909, cuando la Oficina de la India adelantó otras 2000 £ (equivalente a £ 210,015 en 2019).

El 15 de octubre de 1909, el vagón circulaba por sus propios medios por primera vez, transportando a 32 personas por la fábrica. El vehículo era de 40,0 por 9,8 pies (12,2 por 3 m), y con un motor de gasolina de 20 caballos de fuerza (15 kW) , tenía una velocidad de 22 millas por hora (35 km / h). La transmisión era eléctrica , con el motor de gasolina accionando un generador y motores eléctricos ubicados en ambos bogies . Este generador también suministró energía a los motores giroscópicos y al compresor de aire . El sistema de equilibrio utilizó un servo neumático , en lugar de las ruedas de fricción. utilizado en el modelo anterior.

Los giroscopios estaban ubicados en la cabina, aunque Brennan planeaba reubicarlos debajo del piso del vehículo antes de mostrar el vehículo en público, pero la inauguración de la máquina de Scherl lo obligó a adelantar la primera manifestación pública hasta el 10 de noviembre de 1909. Allí No hubo tiempo suficiente para reposicionar los giroscopios antes del debut público del monorraíl.

El verdadero debut público del monorraíl de Brennan fue la Exposición Japón-Británica en la Ciudad Blanca de Londres en 1910. El monorriel transportaba 50 pasajeros a la vez alrededor de una pista circular a 20 millas por hora (32 km / h). Los pasajeros incluyeron a Winston Churchill , quien mostró un entusiasmo considerable. El interés fue tal que en Inglaterra y Alemania se produjeron juguetes monorraíl mecánicos para niños, de una sola rueda y con giroestabilizador. ^{[5] [6]} Aunque era un medio de transporte viable, el monorriel no logró atraer más inversiones. De los dos vehículos construidos, uno se vendió como chatarra y el otro se utilizó como refugio del parque hasta 1930.

Coche de Scherl

Justo cuando Brennan terminaba de probar su vehículo, August Scherl , un editor y filántropo alemán , anunció una demostración pública del monorraíl giroscópico que había desarrollado en Alemania . La demostración tendría lugar el miércoles 10 de noviembre de 1909 en el Jardín Zoológico de Berlín .

Coche monorraíl de Scherl

La máquina de Scherl, ^[7] también un vehículo de tamaño completo, era algo más pequeña que la de Brennan, con una longitud de sólo 17 pies (5,2 m). Podría acomodar a cuatro pasajeros en un par de asientos de banco transversales. Los giroscopios estaban ubicados debajo de los asientos y tenían ejes verticales, mientras que Brennan usaba un par de giroscopios de eje horizontal. El servomecanismo era hidráulico y de propulsión eléctrica. Estrictamente hablando, August Scherl simplemente proporcionó el respaldo financiero. El mecanismo de enderezamiento fue inventado por Paul Fröhlich y el automóvil diseñado por Emil Falcke.

Aunque fue bien recibido y funcionó perfectamente durante sus demostraciones públicas, el automóvil no logró atraer un apoyo financiero significativo, y Scherl canceló su inversión en él.

El trabajo de Shilovsky

Tras el fracaso de Brennan y Scherl para atraer la inversión necesaria, el desarrollo práctico del autogiro-monorraíl después de 1910 continuó con el trabajo de Pyotr Shilovsky , ^[8] un aristócrata ruso que residía en Londres. Su sistema de equilibrio se basaba en principios ligeramente diferentes a los de Brennan y Scherl, y permitía el uso de un giroscopio más pequeño que giraba más lentamente. Después de desarrollar un modelo de giroscopio monorraíl en 1911, diseñó un autogiro que fue construido por Wolseley Motors Limited y probado en las calles de Londres en 1913. Dado que usaba un solo giróscopo, en lugar del par de contrarrotación preferido por Brennan y Scherl, exhibió asimetríaen su comportamiento, y se volvió inestable durante los giros bruscos a la izquierda. Atrajo interés pero no financiación seria.

• Girocar de Schilowsky

Acontecimientos posteriores a la Primera Guerra Mundial

En 1922, el gobierno soviético comenzó la construcción de un monorraíl Shilovsky entre Leningrado y Tsarskoe Selo , pero los fondos se agotaron poco después de que comenzara el proyecto.

En 1929, a la edad de 74 años, Brennan también desarrolló un girocar. Esto fue rechazado por un consorcio de Austin / Morris / Rover , sobre la base de que podían vender todos los coches convencionales que fabricaban.

Principios de Operación

Idea básica

El vehículo corre sobre un solo riel convencional, por lo que sin el sistema de equilibrio se volcaría.

Principio básico de funcionamiento: la rotación sobre el eje vertical provoca un movimiento sobre el eje horizontal.

Una rueda giratoria está montada en un marco de cardán cuyo eje de rotación (el eje de precesión) es perpendicular al eje de giro. El conjunto está montado en el chasis del vehículo de manera que, en equilibrio , el eje de giro, el eje de precesión y el eje de balanceo del vehículo sean mutuamente perpendiculares.

Forzar la rotación del cardán hace que la rueda haga un precesión, lo que da como resultado pares giroscópicos alrededor del eje de balanceo, de modo que el mecanismo tiene el potencial de enderezar el vehículo cuando se inclina desde la vertical . La rueda muestra una tendencia a alinear su eje de giro con el eje de rotación (el eje del cardán), y es esta acción la que hace girar todo el vehículo alrededor de su eje de balanceo.

Idealmente, el mecanismo que aplica pares de control al cardán debería ser pasivo (una disposición de resortes , amortiguadores y palancas ), pero la naturaleza fundamental del problema indica que esto sería imposible. La posición de equilibrio es con el vehículo en posición vertical, de modo que cualquier perturbación desde esta posición reduce la altura del centro de gravedad , disminuyendo la energía potencial del sistema. Todo lo que devuelva el vehículo al equilibrio debe ser capaz de restaurar esta energía potencial y, por lo tanto, no puede consistir únicamente en elementos pasivos. El sistema debe contener un servo activo de algún tipo.

Altura cg perturbada. ^{[se necesita aclaración ]} (La diferencia de altura que se muestra es exagerada). El sistema de equilibrio debe trabajar contra la gravedad para enderezar el vehículo cuando se perturba.

Cargas laterales

Si las fuerzas laterales constantes fueran resistidas solo por la acción giroscópica, el cardán rotaría rápidamente hasta las paradas y el vehículo se volcaría. De hecho, el mecanismo hace que el vehículo se incline hacia la perturbación, resistiéndola con un componente de peso, con el giróscopo cerca de su posición no desviada.

Las fuerzas laterales inerciales, que surgen de las curvas, hacen que el vehículo se incline. Un solo giróscopo introduce una asimetría que hará que el vehículo se incline demasiado o no lo suficiente para que la fuerza neta permanezca en el plano de simetría, por lo que las fuerzas laterales aún se experimentarán a bordo.

Para asegurar que el vehículo se inclina correctamente en las curvas, es necesario eliminar el par giroscópico que surge de la velocidad de giro del vehículo.

Un giróscopo libre mantiene su orientación con respecto al espacio de inercia y los momentos giroscópicos se generan al girarlo alrededor de un eje perpendicular al eje de giro. Pero el sistema de control desvía el giróscopo con respecto al chasis , y no con respecto a las estrellas fijas. De ello se deduce que el cabeceo y la guiñadaEl movimiento del vehículo con respecto al espacio de inercia introducirá pares giroscópicos adicionales no deseados. Estos dan lugar a equilibrios insatisfactorios, pero lo que es más grave, provocan una pérdida de estabilidad estática al girar en una dirección y un aumento de la estabilidad estática en la dirección opuesta. Shilovsky encontró este problema con su vehículo de carretera, que en consecuencia no podía hacer giros bruscos a la izquierda.

Brennan y Scherl eran conscientes de este problema e implementaron sus sistemas de equilibrio con pares de giroscopios contrarrotantes, precesando en direcciones opuestas. Con esta disposición, todo movimiento del vehículo con respecto al espacio de inercia provoca pares iguales y opuestos en los dos giroscopios y, en consecuencia, se anulan. Con el sistema de doble giro, se elimina la inestabilidad en las curvas y el vehículo se inclina en el ángulo correcto, de modo que no se experimenta ninguna fuerza lateral neta a bordo.

En las curvas, los giroscopios contrarrotantes evitan la inestabilidad en las curvas.

Shilovsky afirmó tener dificultades para garantizar la estabilidad con sistemas de doble giro, aunque la razón por la que esto debería ser así no está clara. Su solución fue variar los parámetros del circuito de control con la velocidad de giro, para mantener una respuesta similar en los giros de cualquier dirección.

De manera similar, las cargas compensadas hacen que el vehículo se incline hasta que el centro de gravedad se encuentre por encima del punto de apoyo. Los vientos laterales hacen que el vehículo se incline hacia ellos para resistirlos con un componente de peso. Es probable que estas fuerzas de contacto causen más incomodidad que las fuerzas en las curvas, porque darán lugar a que se experimenten fuerzas laterales netas a bordo.

Las fuerzas del lado de contacto dan como resultado un sesgo de deflexión del cardán en un bucle de Shilovsky. Esto puede usarse como entrada a un bucle más lento para cambiar el centro de gravedad lateralmente, de modo que el vehículo permanezca erguido en presencia de fuerzas no inerciales sostenidas. Esta combinación de giro lateral y giro cg es objeto de una patente de 1962. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney construyeron un vehículo que utiliza un giro de carga útil lateral / giroscópico en los EE. UU. En 1962. Este sistema se llama monorraíl Gyro-Dynamics.

Ventajas potenciales sobre los vehículos de dos carriles

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Shilovsky resumió las ventajas del monorriel sobre los ferrocarriles convencionales. Se ha reclamado lo siguiente.

Problema de derecho de paso reducido

La estrecha asociación del vehículo con su único raíl, su capacidad inherente para inclinarse en las curvas y la dependencia reducida de las fuerzas de adherencia son factores que son pertinentes para el desarrollo del recorrido en la superficie. En principio, se pueden negociar pendientes más pronunciadas y esquinas más pronunciadas en comparación con un ferrocarril de adherencia convencional . Los diseños típicos de trenes de alta velocidad tienen un radio de giro de 7 km, por lo que hay pocas opciones para nuevas rutas dentro de los países desarrollados, donde casi todo el terreno es propiedad individual o corporativa.

En su libro, Shilovsky describe una forma de frenado en vía, que es factible con un monorraíl, pero que alteraría la estabilidad direccional de un vehículo ferroviario convencional. Esto tiene el potencial de distancias de frenado mucho más cortas en comparación con las ruedas convencionales de acero, con la correspondiente reducción en la separación segura entre trenes. El resultado es una ocupación potencialmente mayor de la pista y una mayor capacidad.

Costo total reducido del sistema

Si bien es probable que los vehículos individuales sean costosos, el mayor costo surge de la construcción y el mantenimiento de la vía permanente, que, para un solo riel a nivel del suelo, debe ser más económico.

Modos de falla benignos

El momento angular en los giroscopios es tan alto que la pérdida de potencia no representará un peligro durante una buena media hora en un sistema bien diseñado.

Monorraíl v respuesta de dos pistas

Peso reducido

Shilovsky afirmó que sus diseños eran en realidad más ligeros que los vehículos de doble raíl equivalentes. La masa del giróscopo, según Brennan, representa del 3 al 5% del peso del vehículo, lo que es comparable al peso del bogie ahorrado al utilizar un diseño de vía única.

Potencial de alta velocidad

La alta velocidad requiere convencionalmente una vía recta, lo que presenta un problema de derecho de paso en los países desarrollados. Los perfiles de rueda que permiten tomar curvas cerradas tienden a encontrar la oscilación de caza clásica a bajas velocidades. Correr en un solo carril es un medio eficaz para suprimir la caza.

Dando vuelta a las esquinas

Contribución de la rotación corporal

Si se considera un vehículo que pasa por una curva horizontal, los problemas más graves surgen si el eje del giróscopo es vertical. Hay un componente de la velocidad de giro que actúa sobre el pivote del cardán, de modo que se introduce un momento giroscópico adicional en la ecuación de balanceo:${\displaystyle \Omega }$

${\displaystyle A{\frac {d^{2}\phi }{dt^{2}}}+H({\frac {d\theta }{dt}}+\Omega \phi )=Wh\phi }$

Esto desplaza el balanceo del ángulo de inclinación correcto para el giro, pero más seriamente, cambia el término constante en la ecuación característica a:

${\displaystyle {\frac {(Wh-H\Omega )k}{AJ}}}$

Evidentemente, si la velocidad de giro supera un valor crítico:

${\displaystyle \Omega ={\frac {Wh}{H}}}$

El bucle de equilibrio se volverá inestable. Sin embargo, un giro idéntico del giróscopo en sentido opuesto cancelará el par de balanceo que está causando la inestabilidad, y si es forzado a precesar en la dirección opuesta al primer giro, producirá un par de control en la misma dirección.

En 1972, la División de Ingeniería Mecánica del gobierno canadiense rechazó una propuesta de monorriel en gran parte sobre la base de este problema. Su análisis ^[9] fue correcto, pero de alcance restringido a sistemas de giroscopio de eje vertical único, y no universal.

Velocidad máxima de centrifugado

Los motores de turbina de gas están diseñados con velocidades periféricas de hasta 400 metros por segundo (1300 pies / s), ^[10] y han operado de manera confiable en miles de aviones durante los últimos 50 años. Por lo tanto, una estimación de la masa del giróscopo para 10 toneladas (9,8 toneladas largas; 11 toneladas cortas), con cg ^{[ aclaración necesaria ]} altura a 2 metros (6 pies 7 pulgadas), asumiendo una velocidad periférica de la mitad de lo que se utiliza en jet. diseño del motor, es de apenas 140 kilogramos (310 lb). Por tanto, la recomendación de Brennan de un 3-5% de la masa del vehículo fue muy conservadora.

Ver también

• Ferrocarril de adhesión
• Dinámica de bicicletas y motocicletas
• Gyrocar
• Segway HT
• Motores encendidos

Referencias

1. Graham, R (febrero de 1973). "Brennan, su helicóptero y otros inventos". Revista aeronáutica .
2. c.1913, Vol.3, p.1684
3. Tomlinson, N (1980). Louis Brennan, inventor extraordinario . Publicaciones de John Hallewell. ISBN 0-905540-18-2.
4. "Revolución en los viajes". Gaceta diaria de Birmingham . 9 de mayo de 1907. p. 8.
5. Spilhaus, Athelstan; Spilhaus, Kathleen (1989). Juguetes mecánicos . Nueva York: Crown Publishers. págs.  45–46 . ISBN 0-517-56966-3. Ely Cycle Co.
6. GB 25732 
7. "El coche monorraíl giroscópico de Scherl". Scientific American . 22 de enero de 1910.
8. "El sistema de monorraíl giroscópico de Schilowski". El ingeniero . 23 de enero de 1913.
9. Hamill, PA (diciembre de 1972). et al. "Comentarios sobre una propuesta de monorraíl Gyro-Stabilized". LTR-Cs-77 . Canadá: Laboratorio de sistemas de control.
10. Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972). Ingeniería Termodinámica, Trabajo y Transferencia de Calor (tercera ed.). Longman . pag. 433.

Bibliografía

• Schilovsky, Petr Petrovich (1922). El giroscopio, su construcción y aplicación práctica . Publicaciones E Spon.
• Primos, H (1913). "La estabilidad de los vehículos giroscópicos de una sola vía". Ingeniería 2 : 678–681.
• Graham, R (febrero de 1973). "Brennan, su helicóptero y otros inventos". Revista aeronáutica . 77 (746): 74–82.
• Mee, A (1912). "Harmsworth". Ciencia popular . 3 : 1680-1693.
• Eddy, HT (1910). "Los principios mecánicos del monocarril de Brennan" . Revista del Instituto Franklin . 169 (6): 467–485. doi : 10.1016 / s0016-0032 (10) 90004-5 .
• Tomlinson, N. (1980). Louis Brennan, inventor extraordinario . Publicaciones de John Hallewell. ISBN 0-905540-18-2.
• "El coche monorraíl giroscópico de Scherl". Scientific American . 22 de enero de 1910.
• "El vehículo monocarril Brennan". El motor comercial . 18 de noviembre de 1909.
• "El sistema de monorraíl giroscópico de Schilowski". El ingeniero . 23 de enero de 1913.
• Hamill, PA (diciembre de 1972). et al. "Comentarios sobre una propuesta de monorraíl Gyro-Stabilized". LTR-Cs-77 . Canadá: Laboratorio de sistemas de control.
• "Vehículos monorraíl". Ingeniería : 794. 14 de junio de 1907.
• Rogers, GFC; Mayhew, YR (1972). Ingeniería Termodinámica, Trabajo y Transferencia de Calor (tercera ed.). Longman. pag. 433.

enlaces externos

Medios relacionados con Gyro monorraíl en Wikimedia Commons

• Reportaje especial de Monorail Society en el monorraíl de Swinney
• Ferrocarril del giroscopio