Monorotaia giroscopica - Gyro monorail
La monorotaia giroscopio , monorotaia giroscopica , monorotaia girostabilizzata , o gyrocar sono termini di una sola rotaia veicolo terrestre che utilizza l' giroscopica azione di una filatura ruota per superare l'intrinseca instabilità di bilanciamento in cima un'unica rotaia.
La monorotaia è associata ai nomi Louis Brennan , August Scherl e Pyotr Shilovsky , che hanno costruito prototipi funzionanti su vasta scala durante la prima parte del ventesimo secolo. Una versione è stata sviluppata da Ernest F. Swinney, Harry Ferreira e Louis E. Swinney negli Stati Uniti nel 1962.
La monorotaia giroscopica non è mai stata sviluppata oltre la fase di prototipo.
Il vantaggio principale della monorotaia citata da Shilovsky è la soppressione dell'oscillazione della caccia , una limitazione di velocità incontrata dalle ferrovie convenzionali all'epoca. Inoltre, sono possibili svolte più strette rispetto al raggio di svolta di 7 km tipico dei moderni treni ad alta velocità come il TGV , perché il veicolo inclinerà automaticamente in curva, come un aereo, in modo che a bordo non si verifichi alcuna accelerazione centrifuga laterale .
Uno dei principali svantaggi è che molte auto, comprese le carrozze passeggeri e merci, non solo la locomotiva, richiederebbero un giroscopio costantemente alimentato per rimanere in posizione verticale.
A differenza di altri mezzi per mantenere l'equilibrio, come lo spostamento laterale del baricentro o l'uso di ruote di reazione , il sistema di bilanciamento giroscopico è staticamente stabile, in modo che il sistema di controllo serve solo a conferire stabilità dinamica. La parte attiva del sistema di bilanciamento viene quindi descritta più accuratamente come smorzatore di rollio .
Sfondo storico
La monorotaia di Brennan
L'immagine nella sezione leader raffigura il prototipo di veicolo da 22 tonnellate (22 tonnellate lunghe; 24 tonnellate corte) e 22 tonnellate (peso a vuoto) sviluppato da Louis Philip Brennan CB . Brennan ha depositato il suo primo brevetto per monorotaia nel 1903.
Il suo primo modello dimostrativo era solo una scatola da 30,0 x 11,8 pollici (762 x 300 mm) contenente il sistema di bilanciamento. Tuttavia, questo è stato sufficiente per il Consiglio dell'esercito per raccomandare una somma di £ 10.000 per lo sviluppo di un veicolo a grandezza naturale. Questo è stato posto il veto dal loro dipartimento finanziario. Tuttavia, l'esercito ha trovato 2.000 sterline da varie fonti per finanziare il lavoro di Brennan.
All'interno di questo budget, Brennan ha prodotto un modello più grande, 6,0 per 1,5 piedi (1,83 per 0,46 m), mantenuto in equilibrio da due rotori giroscopici di 5,0 pollici (127 mm) di diametro. Questo modello è ancora esistente al London Science Museum . La pista per il veicolo è stata posata nel terreno della casa di Brennan a Gillingham, nel Kent . Consisteva in normali tubazioni del gas posate su traversine di legno, con un ponte di funi metalliche di 50 piedi (15 m), angoli acuti e pendenze fino a una su cinque. Brennan dimostrò il suo modello in una conferenza alla Royal Society nel 1907, quando fu mostrato correre avanti e indietro "su un filo sottile e sottile" "sotto il perfetto controllo dell'inventore".
La ferrovia a scala ridotta di Brennan confermò ampiamente l' entusiasmo iniziale del Dipartimento della Guerra . Tuttavia, l'elezione nel 1906 di un governo liberale , con politiche di ridimensionamento finanziario, ha effettivamente fermato il finanziamento dell'esercito. Tuttavia, l' India Office ha votato un anticipo di £ 6.000 (equivalente a £ 639.401 nel 2019) nel 1907 per sviluppare la monorotaia per la regione della frontiera nord-occidentale , e ulteriori £ 5.000 (equivalenti a £ 525.892 nel 2019) sono stati anticipati dal Durbar del Kashmir nel 1908. Questo denaro è stato quasi speso nel gennaio 1909, quando l'India Office ha avanzato ulteriori £ 2.000 (equivalenti a £ 210.015 nel 2019).
Il 15 ottobre 1909, il vagone ferroviario corse per la prima volta con mezzi propri, trasportando 32 persone in giro per la fabbrica. Il veicolo misurava 12,2 x 3 m (40,0 x 9,8 piedi) e, con un motore a benzina da 20 cavalli (15 kW) , aveva una velocità di 35 km / h. La trasmissione era elettrica , con il motore a benzina che azionava un generatore e motori elettrici situati su entrambi i carrelli . Questo generatore forniva anche energia ai motori del giroscopio e al compressore d'aria . Il sistema di bilanciamento utilizzava un servo pneumatico , piuttosto che le ruote di attrito utilizzate nel modello precedente.
I giroscopi si trovavano nella cabina, sebbene Brennan progettasse di riposizionarli sotto il pavimento del veicolo prima di esporlo in pubblico, ma la presentazione della macchina di Scherl lo costrinse a portare avanti la prima manifestazione pubblica al 10 novembre 1909. Lì tempo insufficiente per riposizionare i giroscopi prima del debutto pubblico della monorotaia.
Il vero debutto pubblico della monorotaia di Brennan fu la Japan-British Exhibition alla White City , Londra nel 1910. La monorotaia trasportava 50 passeggeri alla volta su un binario circolare a 20 miglia all'ora (32 km / h). Tra i passeggeri c'era Winston Churchill , che ha mostrato un notevole entusiasmo. L'interesse era tale che i giocattoli monorotaia a orologeria per bambini, a ruota singola e stabilizzati con giroscopio, furono prodotti in Inghilterra e in Germania. Sebbene sia un mezzo di trasporto praticabile, la monorotaia non è riuscita ad attrarre ulteriori investimenti. Dei due veicoli costruiti, uno è stato venduto come rottame e l'altro è stato utilizzato come ricovero del parco fino al 1930.
La macchina di Scherl
Proprio quando Brennan ha completato i test del suo veicolo, August Scherl , un editore e filantropo tedesco , ha annunciato una dimostrazione pubblica della monorotaia giroscopica che aveva sviluppato in Germania . La dimostrazione avrebbe avuto luogo mercoledì 10 novembre 1909 presso i giardini zoologici di Berlino .
La macchina di Scherl, anch'essa un veicolo a grandezza naturale, era leggermente più piccola di quella di Brennan, con una lunghezza di soli 5,2 m. Poteva ospitare quattro passeggeri su una coppia di panchine trasversali. I giroscopi erano situati sotto i sedili e avevano assi verticali, mentre Brennan usava una coppia di giroscopi ad asse orizzontale. Il servomeccanismo era idraulico e la propulsione elettrica. A rigor di termini, August Scherl ha semplicemente fornito il sostegno finanziario. Il meccanismo di raddrizzamento è stato inventato da Paul Fröhlich e l'auto progettata da Emil Falcke.
Sebbene ben accolta e funzionante perfettamente durante le sue dimostrazioni pubbliche, l'auto non è riuscita ad attirare un sostegno finanziario significativo e Scherl ha cancellato il suo investimento in essa.
Il lavoro di Shilovsky
Dopo il fallimento di Brennan e Scherl nell'attrarre gli investimenti necessari, lo sviluppo pratico della monorotaia giroscopica dopo il 1910 continuò con il lavoro di Pyotr Shilovsky , un aristocratico russo residente a Londra. Il suo sistema di bilanciamento era basato su principi leggermente diversi da quelli di Brennan e Scherl e consentiva l'uso di un giroscopio più piccolo e più lento. Dopo aver sviluppato un modello di monorotaia giroscopica nel 1911, progettò un autogiro che fu costruito da Wolseley Motors Limited e testato per le strade di Londra nel 1913. Poiché utilizzava un singolo giroscopio, anziché la coppia controrotante preferita da Brennan e Scherl, mostrava un'asimmetria nel suo comportamento e diventava instabile durante le curve brusche della mano sinistra. Ha attirato interesse ma nessun finanziamento serio.
Sviluppi successivi alla prima guerra mondiale
Nel 1922, il governo sovietico iniziò la costruzione di una monorotaia Shilovsky tra Leningrado e Tsarskoe Selo , ma i fondi finirono poco dopo l'inizio del progetto.
Nel 1929, all'età di 74 anni, Brennan sviluppò anche un autogiro. Questo è stato rifiutato da un consorzio di Austin / Morris / Rover , sulla base del fatto che potevano vendere tutte le auto convenzionali che avevano costruito.
Principi di funzionamento
Idea base
Il veicolo scorre su un unico binario convenzionale, in modo che senza il sistema di bilanciamento potrebbe ribaltarsi.
Una ruota che gira è montata in un telaio cardanico il cui asse di rotazione (l'asse di precessione) è perpendicolare all'asse di rotazione. Il gruppo è montato sul telaio del veicolo in modo tale che, in equilibrio , l'asse di rotazione, l'asse di precessione e l'asse di rollio del veicolo siano reciprocamente perpendicolari.
Forzando la rotazione del giunto cardanico, la ruota va in precessione con conseguenti coppie giroscopiche attorno all'asse di rollio, in modo che il meccanismo abbia il potenziale per raddrizzare il veicolo quando inclinato dalla verticale . La ruota mostra una tendenza ad allineare il proprio asse di rotazione con l'asse di rotazione (l'asse del gimbal), ed è questa azione che fa ruotare l'intero veicolo attorno al proprio asse di rollio.
Idealmente, il meccanismo che applica le coppie di controllo al giunto cardanico dovrebbe essere passivo (una disposizione di molle , ammortizzatori e leve ), ma la natura fondamentale del problema indica che ciò sarebbe impossibile. La posizione di equilibrio è con il veicolo in posizione verticale, in modo che qualsiasi disturbo da questa posizione riduce l'altezza del baricentro , abbassando l' energia potenziale del sistema. Qualunque cosa riporti il veicolo in equilibrio deve essere in grado di ripristinare questa energia potenziale, e quindi non può essere costituita da soli elementi passivi. Il sistema deve contenere un servo attivo di qualche tipo.
Carichi laterali
Se forze laterali costanti fossero contrastate dalla sola azione giroscopica, il giunto cardanico ruoterebbe rapidamente fino alle fermate e il veicolo cadrebbe. Il meccanismo, infatti, fa inclinare il veicolo nel disturbo, resistendolo con una componente di peso, con il giroscopio vicino alla sua posizione indeformata.
Le forze laterali inerziali, derivanti dalle curve, fanno inclinare il veicolo in curva. Un singolo giroscopio introduce un'asimmetria che farà sì che il veicolo si inclini troppo o non abbastanza perché la forza netta rimanga nel piano di simmetria, quindi le forze laterali saranno ancora sperimentate a bordo.
Per garantire che il veicolo si inclini correttamente in curva, è necessario rimuovere la coppia giroscopica derivante dalla velocità di svolta del veicolo.
Un giroscopio libero mantiene il suo orientamento rispetto allo spazio inerziale e i momenti giroscopici vengono generati ruotandolo attorno ad un asse perpendicolare all'asse di rotazione. Ma il sistema di controllo devia il giroscopio rispetto al telaio e non rispetto alle stelle fisse. Ne consegue che il movimento di beccheggio e imbardata del veicolo rispetto allo spazio inerziale introdurrà ulteriori coppie giroscopiche indesiderate. Questi danno luogo a equilibri insoddisfacenti, ma più gravemente, provocano una perdita di stabilità statica quando si gira in una direzione e un aumento della stabilità statica nella direzione opposta. Shilovsky ha riscontrato questo problema con il suo veicolo stradale, che di conseguenza non poteva effettuare curve strette a sinistra.
Brennan e Scherl erano consapevoli di questo problema e implementarono i loro sistemi di bilanciamento con coppie di giroscopi controrotanti, che procedevano in direzioni opposte. Con questa disposizione tutti i movimenti del veicolo rispetto allo spazio inerziale provocano coppie uguali ed opposte sui due giroscopi e vengono conseguentemente annullati. Con il sistema a doppio giroscopio, l'instabilità in curva viene eliminata e il veicolo si inclina all'angolo corretto, in modo che a bordo non si verifichi alcuna forza laterale netta.
Shilovsky ha affermato di avere difficoltà a garantire la stabilità con i sistemi a doppio giroscopio, anche se il motivo per cui dovrebbe essere così non è chiaro. La sua soluzione era di variare i parametri del circuito di controllo con la velocità di virata, per mantenere una risposta simile nelle virate di entrambe le direzioni.
I carichi sfalsati fanno sì che il veicolo si inclini fino a quando il centro di gravità si trova sopra il punto di supporto. I venti laterali fanno inclinare il veicolo verso di loro, per resistere loro con una componente di peso. È probabile che queste forze di contatto causino più disagio rispetto alle forze in curva, poiché si tradurranno in forze laterali nette a bordo.
Le forze laterali contatto provocano una deflessione sospensione cardanica polarizzazione in un ciclo Shilovsky. Questo può essere utilizzato come input per un anello più lento per spostare il centro di gravità lateralmente, in modo che il veicolo rimanga in posizione verticale in presenza di forze non inerziali sostenute. Questa combinazione di giroscopio e spostamento cg laterale è oggetto di un brevetto del 1962. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira e Louis E. Swinney negli Stati Uniti nel 1962 ha costruito un veicolo che utilizzava un cambio di carico giroscopico / laterale . Questo sistema è chiamato monorotaia Gyro-Dynamics.
Potenziali vantaggi rispetto ai veicoli a due rotaie
I vantaggi della monorotaia rispetto alle ferrovie convenzionali sono stati riassunti da Shilovsky. È stato affermato quanto segue.
Riduzione del problema del diritto di precedenza
La stretta associazione del veicolo con il suo binario unico, la sua capacità intrinseca di piegarsi in curva e la ridotta dipendenza dalle forze di aderenza sono tutti fattori che sono pertinenti allo sviluppo della corsa in superficie. In linea di principio, è possibile negoziare pendenze più ripide e angoli più acuti rispetto a una ferrovia di aderenza convenzionale . I tipici progetti di treni ad alta velocità hanno un raggio di sterzata di 7 km, con di conseguenza poche opzioni per nuove rotte all'interno dei paesi sviluppati, dove quasi tutta la terra è di proprietà individuale o aziendale.
Nel suo libro, Shilovsky descrive una forma di frenata su binario, che è fattibile con una monorotaia, ma sconvolgerebbe la stabilità direzionale di un veicolo ferroviario convenzionale. Ciò ha il potenziale di distanze di arresto molto più brevi rispetto alle ruote convenzionali su acciaio, con una corrispondente riduzione della separazione sicura tra i treni. Il risultato è potenzialmente una maggiore occupazione del binario e una maggiore capacità.
Costo totale del sistema ridotto
Mentre è probabile che i singoli veicoli siano costosi, il costo maggiore deriva dalla costruzione e dalla manutenzione del percorso permanente, che, per un unico binario a livello del suolo, deve essere più economico.
Modalità di guasto benigne
Il momento angolare nei giroscopi è così alto che la perdita di potenza non rappresenterà un pericolo per una buona mezz'ora in un sistema ben progettato.
Peso ridotto
Shilovsky ha affermato che i suoi progetti erano in realtà più leggeri degli equivalenti veicoli a doppia rotaia. La massa del giroscopio, secondo Brennan, rappresenta il 3-5% del peso del veicolo, che è paragonabile al peso del carrello risparmiato utilizzando un design a binario singolo.
Potenziale per alta velocità
L'alta velocità richiede convenzionalmente un percorso rettilineo, introducendo un problema di precedenza nei paesi sviluppati. I profili delle ruote che consentono curve strette tendono a incontrare la classica oscillazione di caccia alle basse velocità. Correre su una singola rotaia è un mezzo efficace per sopprimere la caccia.
Girare gli angoli
Considerando un veicolo che percorre una curva orizzontale, i problemi più gravi sorgono se l'asse del giroscopio è verticale. Esiste una componente della velocità di virata che agisce sul perno del giunto cardanico, in modo che un momento giroscopico aggiuntivo venga introdotto nell'equazione di rollio:
Questo sposta il rollio dall'angolo di virata corretto per la virata, ma più seriamente, cambia il termine costante nell'equazione caratteristica in:
Evidentemente, se la velocità di virata supera un valore critico:
Il ciclo di bilanciamento diventerà instabile. Tuttavia, un giroscopio identico che ruota nel senso opposto annullerà la coppia di rollio che sta causando l'instabilità, e se è forzato a precessione nella direzione opposta al primo giroscopio produrrà una coppia di controllo nella stessa direzione.
Nel 1972, la Divisione di ingegneria meccanica del governo canadese ha respinto una proposta di monorotaia in gran parte sulla base di questo problema. La loro analisi era corretta, ma limitata all'ambito dei sistemi giroscopici ad asse verticale singolo e non universale.
Velocità di rotazione massima
I motori a turbina a gas sono progettati con velocità periferiche fino a 400 metri al secondo (1.300 ft / s) e hanno operato in modo affidabile su migliaia di aeromobili negli ultimi 50 anni. Quindi, una stima della massa del giroscopio per 10 tonnellate (9,8 tonnellate lunghe; 11 tonnellate corte), con altezza cg a 2 metri (6 piedi 7 pollici), assumendo una velocità periferica della metà di quella utilizzata nella progettazione di motori a reazione, è solo 140 chilogrammi (310 libbre). La raccomandazione di Brennan del 3-5% della massa del veicolo era quindi altamente prudente.
Guarda anche
Riferimenti
Bibliografia
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link esterno
Mezzi relativi alla monorotaia Gyro a Wikimedia Commons