Monorraíl giroscópico , monorraíl giroscópico , monorraíl giroestabilizado o autogiro son términos para un vehículo terrestre de un solo carril que utiliza la acción giroscópica de una rueda giratoria para superar la inestabilidad inherente al equilibrio sobre un solo carril.
El monorriel 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 Estados Unidos en 1962.
El monorraíl giroscópico nunca se desarrolló 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 enfrentaban los ferrocarriles convencionales en ese momento. Además, son posibles giros más cerrados 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, [1] de modo que no se experimenta ninguna aceleración centrífuga lateral. a bordo.
Un gran inconveniente es que muchos automóviles (incluidos los de pasajeros y de carga, no sólo la locomotora) necesitarían un giroscopio motorizado 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 sirve sólo para impartir estabilidad dinámica. Por lo tanto, la parte activa del sistema de equilibrado se denomina más exactamente amortiguador de balanceo .
La imagen de la sección principal muestra el prototipo de vehículo de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas) y 22 toneladas (peso en vacío) desarrollado por Louis Brennan . [3] Brennan presentó su primera patente de monorraíl en 1903.
Su primer modelo de demostración fue solo 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 libras esterlinas para el desarrollo de un vehículo de tamaño completo. Esto fue vetado por su Departamento Financiero. Sin embargo, el ejército encontró 2.000 libras esterlinas de diversas 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 mediante dos rotores giroscópicos de 5,0 pulgadas (127 mm) de diámetro. Este modelo todavía existe en el Museo de Ciencias de Londres . La vía del vehículo se colocó en los terrenos de la casa de Brennan en Gillingham, Kent . Consistía en tuberías de gas ordinarias colocadas 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 tenso" "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 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 el Durbar adelantó otras £ 5.000 (equivalente a £ 659.406 en 2023). de Cachemira en 1908. Este dinero casi se había gastado en enero de 1909, cuando la Oficina de la India adelantó otras 2.000 libras esterlinas (equivalentes a 263.333 libras esterlinas en 2023).
El 15 de octubre de 1909, el vagón circuló por primera vez con sus propios medios y transportó a 32 personas por la fábrica. El vehículo medía 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 suministraba energía a los motores giroscópicos y al compresor de aire . El sistema de equilibrio utilizaba un servo neumático , en lugar de las ruedas de fricción utilizadas en el modelo anterior.
Los giroscopios estaban ubicados en la cabina, aunque Brennan planeaba 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. 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 Japonés-Británica en la Ciudad Blanca de Londres en 1910. El vagón del monorraíl transportaba a 50 pasajeros a la vez alrededor de una vía circular a 20 millas por hora (32 km/h). Entre los pasajeros se encontraba Winston Churchill , quien mostró considerable entusiasmo. El interés fue tal que en Inglaterra y Alemania se produjeron monorraíles mecánicos para niños, de una sola rueda y giroestabilizados. [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 en el 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 manifestación debía tener lugar el miércoles 10 de noviembre de 1909 en el Jardín Zoológico de Berlín .
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). Tenía capacidad para cuatro pasajeros en un par de asientos tipo banco transversales. Los giroscopios estaban ubicados debajo de los asientos y tenían ejes verticales, mientras que Brennan usó un par de giroscopios de eje horizontal. El servomecanismo era hidráulico y la propulsión eléctrica. En sentido estricto, August Scherl se limitó a aportar el apoyo financiero. El mecanismo de adrizado 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.
Tras el fracaso de Brennan y Scherl a la hora de atraer las inversiones necesarias, el desarrollo práctico del giromonorraíl 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 y que giraba más lentamente. Después de desarrollar un modelo de monorraíl giroscópico 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 contrarrotativo preferido por Brennan y Scherl, exhibió asimetría en su comportamiento y se volvió inestable durante los giros bruscos a la izquierda. Atrajo interés pero no financiación seria.
En 1922, el gobierno soviético inició la construcción de un monorraíl Shilovsky entre Leningrado y Tsarskoe Selo , pero los fondos se agotaron poco después de que se iniciara el proyecto.
En 1929, a la edad de 74 años, Brennan también desarrolló un autogiro. Esto fue rechazado por un consorcio formado por Austin / Morris / Rover , basándose en que podían vender todos los coches convencionales que construían.
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. [9]
El sistema denominado Monocab pretende permitir el servicio bidireccional en una sola vía ya que los vehículos utilizan un solo carril. Las cabinas, que funcionarán de forma autónoma según demanda, están diseñadas en consecuencia para ser estrechas.
En septiembre de 2020, Monocab recibió una financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional y del estado federado de Renania del Norte-Westfalia con un total de 3,6 millones de euros. [10]
El vehículo circula sobre un único carril convencional, por lo que sin el sistema de equilibrado se volcaría.
Una rueca está montada en un marco de cardán cuyo eje de rotación (el eje de precesión) es perpendicular al eje de giro. El conjunto se monta 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 precese, lo que genera 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 giro.
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 , bajando la energía potencial del sistema. Cualquier cosa que devuelva el equilibrio al vehículo debe ser capaz de restaurar esta energía potencial y, por tanto, no puede consistir únicamente en elementos pasivos. El sistema debe contener algún tipo de servo activo.
Si las fuerzas laterales constantes fueran resistidas únicamente por la acción giroscópica, el cardán giraría rápidamente hasta los topes y el vehículo caería. De hecho, el mecanismo hace que el vehículo se incline ante la perturbación, resistiéndola con una parte de peso, con el giroscopio cerca de su posición no desviada.
Las fuerzas laterales de inercia, que surgen al tomar una curva, hacen que el vehículo se incline hacia la curva. Un solo giroscopio introduce una asimetría que hará que el vehículo se incline demasiado, o no lo suficiente como para que la fuerza neta permanezca en el plano de simetría, por lo que aún se experimentarán 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 girarlo alrededor de 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 no deseados adicionales. 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 realizar giros cerrados a la izquierda.
Brennan y Scherl eran conscientes de este problema e implementaron sus sistemas de equilibrio con pares de giroscopios contrarrotativos, que precedían en direcciones opuestas. Con esta disposición, todo movimiento del vehículo con respecto al espacio inercial 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 inclinará hasta el ángulo correcto, de modo que no se experimente ninguna fuerza lateral neta a bordo.
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 giros en cualquier dirección.
De manera similar, las cargas desplazadas hacen que el vehículo se incline hasta que el centro de gravedad quede por encima del punto de apoyo. Los vientos laterales hacen que el vehículo se incline hacia ellos, para resistirlos con una parte de peso. Es probable que estas fuerzas de contacto causen más molestias que las fuerzas de las curvas, porque darán como resultado que se experimenten fuerzas laterales netas a bordo.
Las fuerzas del lado de contacto dan como resultado una desviación del cardán en un bucle de Shilovsky. Esto se puede utilizar como entrada a un circuito más lento para desplazar el centro de gravedad lateralmente, de modo que el vehículo permanezca erguido en presencia de fuerzas no inerciales sostenidas. Esta combinación de giroscopio y cambio de CG lateral es objeto de una patente de 1962. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney construyeron en los EE. UU. en 1962 un vehículo que utiliza un desplazamiento de carga útil giroscópico/lateral. Este sistema se llama monorraíl Gyro-Dynamics.
Shilovsky dio una serie de beneficios reclamados que incluyen:
Shilovsky describe en su libro una forma de frenar en vía, que es factible con un monorraíl, pero 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 en la separación segura entre trenes. El
Considerando un vehículo que toma una curva horizontal, los problemas más serios surgen si el eje del giroscopio 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:
Esto desplaza el alabeo del ángulo de alabeo correcto para el giro, pero lo que es más grave, cambia el término constante en la ecuación característica a:
Evidentemente, si la tasa de giro supera un valor crítico:
El circuito de equilibrio se volverá inestable. Sin embargo, un giroscopio idéntico que gire en el sentido opuesto cancelará el par de giro que está causando la inestabilidad, y si se le fuerza a preceder en la dirección opuesta al primer giroscopio, se producirá un par de control en la misma dirección.
En 1972, la División de Ingeniería Mecánica del Gobierno canadiense rechazó una propuesta de monorraíl basándose en gran medida en este problema. Su análisis [11] fue correcto, pero su alcance estaba restringido a sistemas giroscópicos de un solo eje vertical, y no universal.
Los motores de turbina de gas están diseñados con velocidades periféricas de hasta 400 metros por segundo (1300 pies/s) [12] y han operado de manera confiable en miles de aviones durante los últimos 50 años. Por lo tanto, una estimación de la masa del giroscopio para 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 utilizada en diseño del motor a reacción, pesa apenas 140 kilogramos (310 lb). Por tanto, la recomendación de Brennan de entre el 3% y el 5% de la masa del vehículo era muy conservadora.
Ely ciclo Co.
Medios relacionados con el monorriel Gyro en Wikimedia Commons
