Samobalansirajuća monorail željeznica uz pomoć žiroskopa vozi na samo jednoj tračnici i održava ravnotežu. Napravljena je 1910-tih godina, ali nikada nije serijski proizvedena, ali je prototip bio potpuno funkcionalan u praksi
– Čak i ako bi nestalo struje, žiroskopi bi se nastavili okretati i do 30 minuta prije nego što bi se vlak mogao prevrnuti
U ovom videu možete pogledati fascinantnu priču o Brennanovoj monorail željeznici, inovativnom vlaku s početka 1900-ih koji je dizajnirao Louis Brennan. Ova monorail željeznica prkosila je konvencionalnoj fizici balansirajući na jednoj tračnici, naginjući se u zavoje bez vanjskog utjecaja i ostajući stabilna čak i kada stoji… Pa zašto investitori nisu bili sigurni u ovaj dizajn? Ostanite s nama kako biste saznali zašto…
Brennan Gyro Monorail iz 1910. godine je nevjerojatan primjerak inženjerstva
Ovo je Brennan Monorail, vlak iz ranih 1900-ih koji je, činilo se, prkosio zakonima fizike. Ne samo da je savršeno održavao ravnotežu na jednoj tračnici, već se misteriozno naginjao u zavojima bez ikakvog utjecaja strojovođe. Ovo je bio pravi izum – a javnosti ga je 1910. godine predstavio njegov izumitelj Louis Brennan.
Prednosti žiro monorail vlaka
Ideja je bila da bi korištenje jedne tračnice umjesto dvije učinilo vlakove bržima, a željeznice jeftinijima za izgradnju. Njegov vlak mogao bi svladavati zavoje većim brzinama bez da ispadne s tračnica, a željeznici bi trebalo samo upola manje materijala. Za razliku od monoraila kakve danas poznajemo, koji se omotavaju oko tračnica izgrađenih visoko u zraku, Brennanov monorail mogao bi se kretati po postojećim tračnicama.
Iako je izgledao pomalo nedovršeno, po dizajnu je bio vrlo stabilan. U srcu vlaka bio je žiroskop koji bi ispravljao nagib vlaka prije nego što bi putnici to uopće primijetili. Ovo je bio zapanjujući inženjerski komad, posebno za 1910. godinu. Ali kako je zapravo funkcionirao?
Ova konstrukcija je nevjerojatno pametna. Ali kako bismo točno razumjeli što se ovdje događa, moramo znati nešto o žiroskopima.
Osnovni principi žiroskopa
Osnovni princip je da ako disk vrtite jako brzo, njegov kutni moment pokušava ga održati savršeno stabilnim. Ako ga pokušate nagnuti u tom smjeru, počinje se okretati oko vertikalne osi. To se naziva precesija. Ali ako umjesto naginjanja uzrokujemo precesiju, ona zapravo naginje disk u suprotnom smjeru. I tako, kada se disk nagne, uzrokuje precesiju, koja zauzvrat uzrokuje njegovo naginjanje protiv početne sile. To dodaje dodatni dio precesije, vraćajući disk u prvobitni položaj. Zbog toga će žiroskop uvijek pokušavati pronaći put natrag u ravnotežu. Brennan je to vidio kao ključ za održavanje ravnoteže svog vlaka. Stoga je eksperimentirao tako što je u model vlaka stavio zamašnjak i spojio ga na električni motor. U početku je to funkcioniralo i svaki put kad bi vlak počeo padati, disk bi se precesirao i držao vlak uspravnim. Ali ovaj dizajn imao je jednu veliku manu. Kad je vlak došao do zavoja, odmah je izletio s tračnica. Problem je bio u tome što se žiroskop nije okretao s njim prilikom okretanja, jer je pokušavao održati svoj položaj u prostoru. Iz perspektive vlaka, žiroskop se precesirao, što je uzrokovalo naginjanje vlaka i pad s tračnica.
Kako bi riješio taj problem, Brennan je u vlak stavio drugi žiroskop i natjerao ga da se vrti u suprotnom smjeru. Oba su bila povezana zupčanikom, tako da kada bi se jedan žiroskop vrtio u precesiji, drugi bi se vrtio u potpuno suprotnom smjeru. Kada bi vlak skrenuo u zavoj, oba žiroskopa su htjela ostati okrenuta u istom smjeru. Ali to je bilo nemoguće jer ih je zupčanik sprječavao da se okreću u istom smjeru. Tako su oba žiroskopa bila prisiljena rotirati s vlakom i ta neželjena precesija je poništena. To je bio Brennanov genijalan potez, jer je značilo da samo nagib vlaka može utjecati na žiroskope.
Prototip pune veličine
Nakon što je riješio još jedan problem, počeo je raditi na prototipu u punoj veličini koji je mogao testirati sa stvarnim putnicima. To je bilo vozilo dugo 12 metara i teško 22 tone s dva masivna žiroskopa koja su se vrtjela pri 3500 o/min. No, povećanje njegovog dizajna otkrilo je ogroman problem. Sada kada je u pitanju bila ozbiljna težina, žiroskopi se nisu borili samo protiv vlastite rotacije – već i protiv sile gravitacije koja je pokušavala povući vlak prema dolje. To je bilo puno lakše prevladati u Brennanovom manjem modelu – ali s 22 tone koje su sada pokušavale povući vlak, žiroskopi su morali biti puno jači.
Da bi Brennanov vlak ostao savršeno uravnotežen, morao je prevladati vlastitu težinu koja je neprestano pokušavala povući vozilo. Kako se naginjao, težište se pomicalo, a vozilo je sve više bilo povučeno prema dolje. Prirodna precesija žiroskopa nije bila dovoljno jaka ni brza da vlak održi stabilnim – pa je Brennan smislio novo rješenje. Shvatio je da je ključ svega ovoga preuzimanje kontrole nad precesijom žiroskopa. Namjernim bržim precesiranjem nego što bi se inače odvijalo, jača sila bi se uložila u ispravljanje vozila.
Spojio je žiroskope na benzinski motor i zatvorio ih u vakuumski zatvorena kućišta kako bi smanjio trenje. Čak i ako bi nestalo struje, žiroskopi bi se nastavili okretati i do 30 minuta prije nego što bi se vlak mogao prevrnuti.
Žiroskope je smjestio u jedan kardanski zglob koji je omogućio cijelom sustavu da se okreće oko osi kotrljanja vlaka. Osovine svakog žiroskopa stršile su iz kućišta i nalazile se između dvije vodeće ploče koje su bile pričvršćene za šasiju vlaka. Kako bi se vlak prevrnuo, osovine bi dodirnule jednu od ploča, a trenje bi uzrokovalo njihovo prevrtanje poput kotača na tlu. To bi prisililo žiroskop na precesiju puno brže nego kod prethodnog dizajna, prisiljavajući cijeli vlak natrag u ravnotežu. To je dobro funkcioniralo za male korekcije i uzrokovalo je da se vlak naginje u zavojima i ide protiv centrifugalne sile. Iako je izgledalo čudno, putnicima unutra vlak bi se činio potpuno ravnim, a pića bi im ostajala u čašama. Problem je bio u tome što bi vibracije uzrokovale odbijanje žiroskopa na vodilicama, a nikada nisu proizvodili glatku i proporcionalnu silu na vlak.
I tako se Brennan riješio vodećih ploča i smislio još bolje rješenje. Pričvrstio je žiroskope na šasiju vlaka, tako da bi se rotirali s vlakom. Kad se vlak prevrnuo, žiroskopi su učinili svoju uobičajenu stvar i počeli prirodno precesirati.
Kako je žiroskop radio?
Na desnom žiroskopu, njegova osovina bila je izravno spojena na mehanizam koji je upravljao aktuatorskom šipkom. Ta je šipka bila spojena na polugu i dva ventila koji su kontrolirali protok komprimiranog zraka. Taj komprimirani zrak strujao je kroz dvije cijevi koje su ulazile u oba kraja velike cijevi koja je prolazila kroz središte žiroskopa. Unutar ove cijevi nalazila se zupčasta letva koja je bila postavljena između dva žiroskopa i mogla se pomicati naprijed-natrag kako bi ih rotirala.
Kad bi se vlak nagnuo, žiroskopi bi se precesirali, a pametna aktuatorska ruka bi aktivirala ventile. Zatvaranjem jednog od ventila, komprimirani zrak bi zatim tekao kroz jednu od cijevi i u jedan kraj cijevi. To bi povećalo tlak, gurajući zupčastu letvu i prisiljavajući žiroskope da se precesiraju u suprotnom smjeru dok se vlak ne bi vratio u ravnotežu. Sve se to događalo trenutno, a žiroskopi bi reagirali prije nego što bi vlak postao previše neuravnotežen.
Ključno je da se komprimirani zrak ponašao poput pneumatskog ili hidrauličkog sustava, omogućujući manjoj sili da proizvede puno veću silu. Sila komprimiranog zraka se ravnomjerno prenosi kroz zrak u cijevi. Nakon što dođe do većeg klipa, ista se sila množi na većoj površini – i tako se ovaj klip pomiče puno većom silom nego što žiroskopi u njega ulažu. Ovaj genijalni sustav uzeo je silu prevrtanja vlaka i umnožio je protiv samog sebe kako bi stvorio vlak koji je uvijek želio ostati ravan. Brennan je konačno usavršio svoju konstrukciju Njegov vlak bio je toliko jak da bi čak i ako bi svaki putnik stajao na jednoj strani, vlak ostao savršeno uravnotežen. Njegov prototip bio je ogroman uspjeh i u to vrijeme se zaista činio kao budućnost.
No nažalost, investitori nisu bili sigurni u konstrukciju, a činjenica da bi svaki vagon vlaka trebao vlastiti žiroskop dovela je do kraja projekta. Dva tračna vlaka već su bila dobro uhodana u to vrijeme, a Brennanov vlak je uglavnom pao u zaborav. U svakom slučaju, nevjerojatno je otkriti ove nevjerojatne izume i cijeniti genijalce koji stoje iza njihovog stvaranja.
Davor Kindy
Foto: https://primalnebula.com/the-brennan-gyro-monorail/
