Гироскопический монорельс Бреннана – это поезд начала 1900-х годов, который, казалось, бросал вызов законам физики. Он не только идеально балансировал на одном рельсе, но и загадочным образом наклонялся на поворотах без какого-либо вмешательства машиниста.

Это было реальное изобретение, представленное публике в 1910 году его создателем Луисом Бреннаном.

Преимущества гироскопического монорельсового поезда

Идея заключалась в том, что использование одного рельса вместо двух сделает поезда быстрее, а железные дороги – дешевле в строительстве.

Такой поезд мог проходить повороты на более высоких скоростях, не рискуя сойти с рельсов, а для строительства путей требовалось бы вдвое меньше материала. В отличие от современных монорельсов, которые охватывают рельсы, проложенные высоко в воздухе, монорельсовый поезд Бреннана мог двигаться по существующим железнодорожным путям.

Хотя он и выглядел несколько рискованно, по своей конструкции – был очень устойчив. В основе поезда находился гироскоп (вращающееся устройство, способное сохранять неизменным направление своей оси вращения в пространстве), который корректировал бы наклон поезда ещё до того, как пассажиры это заметят.

И это было поразительным инженерным решением, особенно для 1910 года. Но как же всё на самом деле работало? Чтобы лучше понять, насколько идеально было решение Бреннана, нам нужно немного разобраться в гироскопах.

Принципы работы гироскопов

Основной принцип заключается в том, что если очень быстро раскрутить диск, его угловой момент (также известный как момент импульса – физическая величина, характеризующая количество вращательного движения) стремится сохранить его идеальную стабильность.

Если попытаться наклонить его в одном направлении, он начинает вращаться вокруг вертикальной оси. Это называется прецессией (явление, при котором ось вращения тела меняет своё направление в пространстве под действием внешней силы). Но если вместо того, чтобы наклонять, мы заставим его прецессировать, диск фактически наклонится в противоположном направлении.

Таким образом, когда диск наклоняется, это вызывает прецессию, которая, в свою очередь, заставляет его наклоняться против первоначальной силы. Это добавляет дополнительную прецессию, возвращая диск в исходное положение. Именно благодаря этому гироскоп всегда будет стремиться вернуться в состояние равновесия.

Бреннан увидел в этом ключ к поддержанию равновесия своего поезда. Поэтому и экспериментировал, установив маховик (массивное вращающееся колесо, используемое как накопитель кинетической энергии) в модель поезда и подключив его к электродвигателю.

Изначально это работало, и каждый раз, когда поезд начинал падать, диск прецессировал и удерживал его в вертикальном положении. Но у такой конструкции был один серьёзный недостаток.

Когда поезд подходил к повороту, он немедленно слетал с рельсов. Проблема заключалась в том, что когда поезд поворачивал, гироскоп не поворачивал вместе с ним, поскольку стремился сохранить своё положение в пространстве. Относительно поезда, гироскоп прецессировал, что заставляло поезд опрокидываться и сходить с рельсов.

Чтобы решить эту проблему, Бреннан установил в поезд второй гироскоп и заставил его вращаться в противоположном направлении. Оба были соединены зубчатой передачей, так что когда один гироскоп прецессировал, другой прецессировал в строго противоположном направлении. И когда поезд входил в поворот, оба гироскопа стремились сохранить прежнее направление.

Но это было невозможно, так как зубчатая передача не позволяла им вращаться в одном направлении. Таким образом, оба гироскопа были вынуждены поворачивать вместе с поездом, и эта нежелательная прецессия взаимно компенсировалась.

Это и было гениальным решением Бреннана, поскольку означало, что только наклон поезда мог влиять на гироскопы.

Полноразмерный прототип монорельса

Решив ещё одну проблему, Бреннан начал работать над полноразмерным прототипом, который мог бы испытать с настоящими пассажирами.

Теперь, когда речь шла о серьёзном весе, гироскопам приходилось бороться не только с их собственным вращением, но и с силой тяжести, стремящейся опрокинуть поезд. В меньшей модели Бреннана это было гораздо легче преодолеть, но с 22 тоннами, пытающимися перевернуть поезд, гироскопы должны были быть намного мощнее.

Чтобы поезд Бреннана сохранял равновесие, ему нужно было преодолевать собственный вес, который постоянно пытался опрокинуть машину. При наклоне центр тяжести смещался, и машина всё сильнее стремилась вниз. Естественной прецессии гироскопов было недостаточно по силе или скорости, чтобы сохранить устойчивость поезда, и поэтому Бреннан придумал новое решение.

Он понял, что ключ ко всему – взять под контроль прецессию гироскопов. Целенаправленно заставляя их прецессировать быстрее, чем они делали бы это в обычных условиях, можно было бы приложить большую силу для выравнивания аппарата.

Бреннан подключил гироскопы к бензиновому двигателю и поместил их в герметичные вакуумированные кожухи для уменьшения трения. Даже если бы питание отключилось, гироскопы продолжали бы вращаться до 30 минут, прежде чем поезд мог упасть.

Он также разместил гироскопы в едином карданном подвесе, который позволял всей системе вращаться вокруг продольной оси крена поезда. Оси каждого гироскопа выступали из кожуха и располагались между двумя направляющими пластинами, прикреплёнными к шасси (основа, рама конструкции) поезда.

Когда поезд наклонялся, оси вступали в контакт с одной из пластин, и трение заставляло их катиться по пластине, как колесо по земле. Это заставляло гироскоп прецессировать гораздо быстрее, чем в предыдущей конструкции, возвращая весь поезд в равновесие.

Решение хорошо работало для небольших коррекций и заставляло поезд наклоняться в поворотах, противодействуя центробежной силе. Хотя это выглядело странно, для пассажиров внутри поезд ощущался совершенно ровным, и даже напитки оставались в стаканах.

Тогда Бреннан избавился от направляющих пластин и придумал ещё лучшее решение. Он закрепил гироскопы на шасси поезда, чтобы они вращались вместе с поездом. Когда поезд наклонялся, гироскопы делали своё обычное дело и начинали прецессировать естественным образом.

Как работал гироскоп в монорельсе Бреннана

Ось на правом гироскопе была напрямую соединена с механизмом, который управлял исполнительным штоком (стержень, передающий усилие). Этот шток был связан с рычагом и двумя клапанами, которые контролировали поток сжатого воздуха.

Сжатый воздух поступал по двум трубкам в концы большой трубы, проходящей через центр гироскопической системы. Внутри этой трубы находилась зубчатая рейка (деталь с зубьями для преобразования вращательного движения в поступательное и наоборот), расположенная между двумя гироскопами и способная двигаться вперёд-назад для их вращения (вызова прецессии).

Когда поезд наклонялся, гироскопы начинали прецессировать, и хитроумный исполнительный рычаг активировал клапаны. Закрывая один из клапанов, сжатый воздух поступал по одной из трубок в один конец большой трубы.

Это увеличивало давление, толкая зубчатую рейку и заставляя гироскопы прецессировать в противоположном направлении до тех пор, пока поезд не возвращался в равновесие.

Всё это происходило мгновенно, и гироскопы реагировали, прежде чем поезд успевал слишком сильно потерять равновесие.

Ключевым моментом здесь является то, что сжатый воздух действовал подобно пневматической или гидравлической системе, позволяя меньшей силе производить гораздо большую. Сила сжатого воздуха равномерно передаётся через воздух в трубе.

Как только она достигает большего поршня (связанного с зубчатой рейкой), та же самая сила умножается на большую площадь – и поэтому этот поршень перемещается со значительно большей силой, чем та, которую приложили гироскопы.

Эта гениальная система брала силу наклона поезда и умножала саму на себя, чтобы создать поезд, который всегда стремился оставаться в горизонтальном положении. Бреннан наконец-то довёл свою конструкцию до совершенства. Его поезд был настолько устойчив, что, даже если бы все пассажиры встали на одну сторону, он оставался бы идеально сбалансированным.

Его прототип имел огромный успех, и в то время действительно казалось, что это будущее. Но, к сожалению, инвесторы не были уверены в надёжности конструкции, а тот факт, что каждый вагон поезда требовал собственного гироскопа, поставил крест на проекте. Двухрельсовые поезда к тому времени уже прочно утвердились, и поезд Бреннана был в значительной степени забыт.

Как бы то ни было, удивительно открывать подобные невероятные изобретения и оценить идеи гениев, стоящих за их созданием.

via