El monorraíl giroscópico , monorraíl giroscópico , monorraíl giroestabilizado o girocar son términos para un vehículo terrestre de un solo carril que utiliza la acción giroscópica de una rueda giratoria para superar la inestabilidad inherente del equilibrio sobre un solo carril.
El monorraíl está asociado con los nombres de Louis Brennan , August Scherl y Pyotr Shilovsky , quienes construyeron prototipos funcionales a escala real 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 monorriel giroscópico nunca fue desarrollado más allá de la etapa de prototipo.
La principal ventaja del monorraíl citada por Shilovsky es la supresión de la oscilación de caza , una limitación de velocidad que se encontraban los ferrocarriles convencionales en ese momento. Además, se pueden realizar curvas más cerradas en comparación con el radio de giro de 7 km típico de los trenes de alta velocidad modernos como el TGV , porque el vehículo se inclina automáticamente en las curvas, como un avión, [2] de modo que no se experimenta ninguna aceleración centrífuga lateral a bordo.
Una desventaja importante es que muchos automóviles (incluidos los de pasajeros y de carga, no solo las locomotoras) necesitarían un giroscopio motorizado para mantenerse en posición vertical.
A diferencia de otros métodos 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 equilibrio se describe con mayor precisión como amortiguador de balanceo .
Louis Brennan desarrolló un prototipo de vehículo de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas) ( peso en vacío). [4] Brennan presentó su primera patente de monorraíl en 1903.
Su primer modelo de demostración fue una caja de 30,0 por 11,8 pulgadas (762 por 300 mm) 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 real. Esta recomendación fue vetada por su Departamento Financiero. Sin embargo, el Ejército encontró £ 2.000 de varias fuentes para financiar el trabajo de Brennan.
Con este presupuesto, Brennan produjo un modelo más grande, de 1,83 x 0,46 m (6,0 x 1,5 pies), que se mantenía en equilibrio gracias a dos rotores de giroscopio de 127 mm (5,0 pulgadas) de diámetro. Este modelo todavía se conserva en el Museo de Ciencias de Londres . La vía para el vehículo se colocó en los terrenos de la casa de Brennan en Gillingham, Kent . Consistía en tuberías de gas comunes colocadas sobre traviesas de madera, con un puente de cable de 15 m (50 pies), esquinas agudas y pendientes de hasta uno de cada cinco. Brennan mostró su modelo en una conferencia ante la Royal Society en 1907, cuando se mostró corriendo de un lado a otro "sobre un cable tenso y delgado" "bajo el control perfecto del inventor". [5]
El ferrocarril de escala reducida de Brennan justificó en gran medida el entusiasmo inicial del Departamento de Guerra . Sin embargo, la elección en 1906 de un gobierno liberal , con políticas de recortes financieros, detuvo efectivamente la financiación del Ejército. Sin embargo, la Oficina de la India votó un anticipo de £ 6,000 (equivalente a £ 801,733 en 2023) en 1907 para desarrollar el monorraíl para la región de la Frontera Noroeste , y otras £ 5,000 (equivalentes a £ 659,406 en 2023) fueron adelantadas por el Durbar de Cachemira en 1908. Este dinero casi se gastó en enero de 1909, cuando la Oficina de la India adelantó otras £ 2,000 (equivalentes a £ 263,333 en 2023).
El 15 de octubre de 1909, el automotor funcionó por primera vez con su propia potencia, transportando a 32 personas por la fábrica. El vehículo medía 12,2 x 3 m y, con un motor de gasolina de 20 caballos de fuerza (15 kW) , alcanzaba una velocidad de 35 km/h. La transmisión era eléctrica , con el motor de gasolina impulsando un generador y motores eléctricos ubicados en ambos bogies . Este generador también suministraba energía a los motores giroscópicos y al compresor de aire . El sistema de equilibrado utilizaba un servomotor neumático , en lugar de las ruedas de fricción utilizadas en el modelo anterior.
Los giroscopios estaban ubicados en la cabina, aunque Brennan planeó reubicarlos debajo del piso del vehículo antes de exhibirlo en público, pero la presentación de la máquina de Scherl lo obligó a adelantar la primera demostración pública al 10 de noviembre de 1909. No hubo tiempo suficiente para reubicar los giroscopios antes del debut público del monorraíl.
El verdadero debut público del monorraíl de Brennan fue en la Exposición Británica-Japonesa en la Ciudad Blanca , Londres, en 1910. El monorraíl transportaba a 50 pasajeros a la vez alrededor de una pista circular a 20 millas por hora (32 km/h). Entre los pasajeros se encontraba Winston Churchill , que mostró un entusiasmo considerable. El interés fue tal que se produjeron juguetes de monorraíl de cuerda para niños, con una sola rueda y giroestabilizados, en Inglaterra y Alemania. [6] [7] Aunque era un medio de transporte viable, el monorraíl no logró atraer más inversiones. De los dos vehículos construidos, uno se vendió como chatarra y el otro se utilizó como refugio en un parque hasta 1930.
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 se llevaría a cabo el miércoles 10 de noviembre de 1909 en el Jardín Zoológico de Berlín .
La máquina de Scherl, [8] también un vehículo de tamaño completo, era algo más pequeña que la de Brennan, con una longitud de solo 17 pies (5,2 m). Podía acomodar a cuatro pasajeros en un par de asientos 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 la propulsión eléctrica. Estrictamente hablando, August Scherl simplemente proporcionó el respaldo financiero. El mecanismo de enderezamiento fue inventado por Paul Fröhlich y el automóvil fue diseñado por Emil Falcke.
Aunque el coche tuvo una buena recepción y funcionó perfectamente durante sus demostraciones públicas, no logró atraer un apoyo financiero significativo y Scherl canceló su inversión en él.
Tras el fracaso de Brennan y Scherl a la hora de atraer la inversión necesaria, el desarrollo práctico del giro-monorraíl después de 1910 continuó con el trabajo de Pyotr Shilovsky , [9] un aristócrata ruso residente 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 y de giro más lento. Después de desarrollar un modelo de giro-monorraíl en 1911, diseñó un autogiro que fue construido por Wolseley Motors Limited y probado en las calles de Londres en 1913. Dado que utilizaba un solo giroscopio, en lugar del par contrarrotante preferido por Brennan y Scherl, exhibía asimetría en su comportamiento y se volvía inestable durante los giros bruscos a la izquierda. Atrajo interés pero no una financiación seria.
En 1922, el gobierno soviético inició la construcción del monorraíl Shilovsky entre Leningrado y Tsarskoe Selo , pero los fondos se agotaron poco después de iniciarse el proyecto.
En 1929, a los 74 años, Brennan también desarrolló un autogiro, pero el consorcio formado por Austin , Morris y Rover rechazó la propuesta , argumentando que podían vender todos los automóviles convencionales que fabricaban.
En octubre de 2022, la Technische Hochschule OWL , la Universidad de Ciencias Aplicadas de Bielefeld , el Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung y el Landeseisenbahn Lippe e. V. presentó un monorraíl giroestabilizado según Brennan en un tramo del ferrocarril Extertal en Alemania. [10]
El sistema denominado Monocab está pensado para permitir el servicio bidireccional sobre una única vía, ya que los vehículos utilizan un solo raíl. Las cabinas que funcionarán de forma autónoma según demanda están diseñadas de forma estrecha.
En septiembre de 2020, Monocab recibió financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional y del estado de Renania del Norte-Westfalia con un total de 3,6 millones de euros. [11]
El vehículo circula sobre un único raíl convencional, por lo que sin el sistema de equilibrado se volcaría.
Una rueda giratoria está montada en un bastidor 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 son mutuamente perpendiculares.
Al forzar el giro del cardán, la rueda se mueve en precesión, lo que genera pares giroscópicos sobre el eje de balanceo, de modo que el mecanismo tiene el potencial de enderezar el vehículo cuando se inclina respecto de 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 sobre su eje de balanceo.
Lo ideal sería que el mecanismo que aplica los pares de control al cardán fuera 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 alteración de esta posición reduce la altura del centro de gravedad , disminuyendo la energía potencial del sistema. Cualquier cosa 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 servomotor activo de algún tipo.
Si se aplicaran fuerzas laterales constantes mediante la acción giroscópica únicamente, el cardán rotaría rápidamente hasta los topes 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 al tomar una curva hacen que el vehículo se incline en la misma. Un solo giroscopio 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 se seguirán experimentando fuerzas laterales a bordo.
Para garantizar que el vehículo se incline correctamente en las curvas, es necesario eliminar el par giroscópico que surge de la velocidad de giro del vehículo.
Un giroscopio libre mantiene su orientación con respecto al espacio inercial y los momentos giroscópicos se generan al rotarlo sobre un eje perpendicular al eje de giro. Pero el sistema de control desvía el giroscopio con respecto al chasis y no con respecto a las estrellas fijas. De ello se deduce que el movimiento de cabeceo y guiñada del vehículo con respecto al espacio inercial introducirá pares giroscópicos adicionales no deseados. Estos dan lugar a equilibrios insatisfactorios, pero lo que es más grave, causan una pérdida de estabilidad estática al girar en una dirección y un aumento de la estabilidad estática en la dirección opuesta. Shilovsky se encontró con este problema con su vehículo de carretera, que en consecuencia no podía hacer giros bruscos hacia la izquierda.
Brennan y Scherl eran conscientes de este problema e implementaron sus sistemas de equilibrio con pares de giroscopios que giran en direcciones opuestas. Con esta disposición, todo movimiento del vehículo con respecto al espacio inercial provoca pares de torsión iguales y opuestos en los dos giroscopios y, en consecuencia, se anulan. Con el sistema de doble giroscopio, se elimina la inestabilidad en las curvas y el vehículo se inclinará en el ángulo correcto, de modo que no se experimente ninguna fuerza lateral neta a bordo.
Shilovsky afirmó que tenía dificultades para garantizar la estabilidad con sistemas de doble giro, aunque no está claro el motivo. Su solución fue variar los parámetros del circuito de control con la velocidad de giro, para mantener una respuesta similar en los giros en cualquier dirección.
Las cargas desplazadas también hacen que el vehículo se incline hasta que el centro de gravedad se sitúa 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 provoquen más incomodidad que las fuerzas en las curvas, porque darán lugar a fuerzas laterales netas que se experimentarán a bordo.
Las fuerzas laterales de contacto dan como resultado una desviación del cardán en un bucle de Shilovsky. Esto se puede utilizar como entrada para un bucle más lento para desplazar el centro de gravedad lateralmente, de modo que el vehículo permanezca en posición vertical en presencia de fuerzas no inerciales sostenidas. Esta combinación de giroscopio y desplazamiento lateral del centro de gravedad es objeto de una patente de 1962. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney construyeron en Estados Unidos en 1962 un vehículo que utiliza un giroscopio y un desplazamiento lateral de la carga útil . Este sistema se denomina monorraíl Gyro-Dynamics.
Shilovsky mencionó una serie de supuestos beneficios, entre ellos la reducción de los problemas de derecho de paso, ya que en teoría se pueden sortear pendientes más pronunciadas y curvas más cerradas. En su libro, Shilovsky describe una forma de frenado en la vía, que es factible con un monorraíl, pero que alteraría la estabilidad direccional de un vehículo ferroviario convencional. Esto tiene el potencial de lograr distancias de frenado mucho más cortas en comparación con las ruedas convencionales sobre acero, con la correspondiente reducción de la separación segura entre trenes. El resultado es una ocupación potencialmente mayor de la vía y una mayor capacidad.
Shilovsky afirmó que sus diseños eran en realidad más ligeros que los vehículos de dos raíles equivalentes. La masa del giroscopio, según Brennan, representa entre el 3 y el 5 % del peso del vehículo, lo que es comparable al peso del bogie que se ahorra al utilizar un diseño de vía única.
Si consideramos un vehículo que pasa por una curva horizontal, los problemas más graves surgen si el eje del giróscopo es vertical. Existe un componente de velocidad de giro que actúa sobre el pivote del cardán, de modo que se introduce un momento giroscópico adicional en la ecuación de balanceo:
Esto desplaza el balanceo del ángulo de inclinación correcto para el giro, pero lo que es más grave, cambia el término constante en la ecuación característica a:
Evidentemente, si la velocidad de giro supera un valor crítico:
El bucle de equilibrio se volverá inestable. Sin embargo, un giroscopio idéntico que gire en sentido opuesto cancelará el par de giro que causa la inestabilidad y, si se lo obliga a precesar en la dirección opuesta al primer giroscopio, producirá un par de control en la misma dirección.
En 1972, la División de Ingeniería Mecánica del Gobierno canadiense rechazó una propuesta de monorraíl en gran medida debido a este problema. [12] Su análisis era correcto, pero su alcance estaba restringido a los sistemas giroscópicos de un solo eje vertical y no era universal. [ ¿ Investigación original? ]
Los motores de turbina de gas están diseñados con velocidades periféricas de hasta 400 metros por segundo (1300 pies/s), [13] y han funcionado de manera confiable en miles de aeronaves durante los últimos 50 años. Por lo tanto, una estimación de la masa del giroscopio para un avión de 10 toneladas (9,8 toneladas largas; 11 toneladas cortas), con una altura del centro de gravedad de 2 metros (6 pies 7 pulgadas), suponiendo una velocidad periférica de la mitad de la que se utiliza en el diseño de motores a reacción, es de apenas 140 kilogramos (310 libras). La recomendación de Brennan de un 3-5% de la masa del vehículo fue, por lo tanto, muy conservadora. [ investigación original? ]
Compañía de bicicletas Ely.
Medios relacionados con Gyro monorail en Wikimedia Commons
