Monorraíl giroscópico

Louis Brennan desarrolló un prototipo de vehículo de 22 toneladas (22 toneladas largas; 24 toneladas cortas) (peso en vacío). ^{[ 1 ]} Brennan presentó su primera patente de monorraíl en 1903.

Su primer prototipo consistía en una simple caja de 762 x 300 mm (30 x 11,8 pulgadas ) que contenía el sistema de equilibrado. Sin embargo, esto bastó para que el Consejo del Ejército recomendara una suma de 10 000 libras esterlinas para el desarrollo de un vehículo a tamaño real. Esta recomendación fue vetada por su Departamento Financiero. No obstante, el Ejército consiguió 2000 libras esterlinas de diversas fuentes para financiar el trabajo de Brennan. 

Dentro de este presupuesto, Brennan produjo un modelo más grande, de 1,83 x 0,46 m (6,0 x 1,5 pies) , mantenido en equilibrio por dos rotores giroscópicos de 127 mm (5,0 pulgadas ) de diámetro. Este modelo aún se conserva en el Museo de Ciencias de Londres . La vía para el vehículo se tendió 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 acero de 15 m (50 pies ) , curvas pronunciadas y pendientes de hasta uno en cinco. Brennan demostró su modelo en una conferencia ante la Royal Society en 1907, donde se mostró moviéndose de un lado a otro "sobre un cable tenso y delgado" "bajo el control perfecto del inventor". ^{[ 4 ] [ 5 ]}   

El ferrocarril a 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 recorte de gastos, detuvo efectivamente la financiación del Ejército. No obstante, la Oficina de la India aprobó un anticipo de 6000 libras esterlinas (equivalente a 624 053 libras esterlinas en 2025) en 1907 para desarrollar el monorraíl para la región de la Frontera Noroeste , y el Durbar de Cachemira adelantó otras 5000 libras esterlinas (equivalente a 520 044 libras esterlinas en 2025) en 1908. Este dinero se gastó casi por completo en enero de 1909, cuando la Oficina de la India adelantó otras 2000 libras esterlinas (equivalente a 205 828 libras esterlinas en 2025) .

El 15 de octubre de 1909, el automotor circuló por primera vez por sus propios medios, transportando a 32 personas por la fábrica. El vehículo contaba con un motor de gasolina de 20 caballos de fuerza (15 kW) y una velocidad de 35 km/h (22 millas por hora ) . La transmisión era eléctrica : el motor de gasolina accionaba un generador y había motores eléctricos ubicados en ambos bogies . Este generador también alimentaba los giroscopios y el compresor de aire . El sistema de equilibrio utilizaba un servoneumático , en lugar de las ruedas de fricción empleadas en el modelo anterior. Los giroscopios estaban ubicados en la cabina, aunque Brennan planeaba reubicarlos bajo el piso del vehículo antes de su presentación pública. Sin embargo, 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.  

En diciembre de 1909, el Brennan presentó el automotor a la Royal Society . Transportaba a 40 personas a una velocidad de 40 km/h (25 mph) en una vía circular de un solo riel con una circunferencia de 200 m (660 pies) . Las dimensiones del vehículo eran 12,2 m × 4,0 m × 3,0 m (40 pies × 13 pies × 10 pies) . ^{[ 6 ]}              

El debut público del monorraíl de Brennan tuvo lugar en la Exposición Británico-Japonesa en White City , Londres, en 1910. El vagón del monorraíl transportaba 50 pasajeros a la vez por una vía circular a 32 km/h (20 millas por hora ) . Entre los pasajeros se encontraba Winston Churchill , quien mostró un gran entusiasmo. El interés fue tal que se fabricaron juguetes de monorraíl de cuerda para niños, de una sola rueda y giroscópicos, en Inglaterra y Alemania. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Aunque era un medio de transporte viable, el monorraíl no logró atraer más inversión. 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 , editor y filántropo alemán , anunció una demostración pública del monorraíl giroscópico que había desarrollado en Alemania . La demostración tendría lugar el miércoles 10 de noviembre de 1909 en el Jardín Zoológico de Berlín .

La máquina de Scherl, ^{[ 9 ]} también un vehículo de tamaño real, era algo más pequeña que la de Brennan, con una longitud y anchura de tan solo 5,5 por 1,2 m (18 por 4 pies) . ^{[ 6 ]} Podía acomodar a cuatro pasajeros en un par de asientos de banco transversales. Mientras que Brennan utilizaba un par de giroscopios de eje horizontal, los giroscopios de Scherl tenían ejes verticales. Consistían en volantes de inercia de 57 kg (125 lb) ubicados debajo de los asientos, que giraban a 8000 revoluciones por minuto. El servomecanismo era hidráulico y la propulsión eléctrica. ^{[ 9 ]}    

El vagón de Scherl contaba con dos medidas de seguridad adicionales. La primera consistía en que los giroscopios seguían girando durante varias horas sin energía antes de detenerse por completo, lo que permitía detener el vehículo mucho antes de que perdiera el equilibrio. La segunda eran unas pequeñas ruedas en cada esquina que podían bajarse al suelo para estabilizar el vehículo antes de que los giroscopios se detuvieran. ^{[ 6 ]}

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. ^{[ 9 ]}

Un editorial de Scientific American cuestionó su practicidad debido a posibles cambios en las vías férreas y los puentes. ^{[ 10 ]} Aunque fue bien recibido y funcionó a la perfección durante sus demostraciones públicas, el automóvil no logró atraer un apoyo financiero significativo, y Scherl perdió su inversión en él.

Tras el fracaso de Brennan y Scherl en atraer la inversión necesaria, el desarrollo práctico del giromonorraíl después de 1910 continuó con el trabajo de Pyotr Shilovsky , ^{[ 11 ]} 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.

En 1922, el gobierno soviético inició la construcción de un monorraíl Shilovsky entre Leningrado y Tsárskoye Seló , pero los fondos se agotaron poco después de que comenzara el proyecto.

En 1929, a la edad de 74 años, Brennan también desarrolló un girocóptero. Este fue rechazado por un consorcio formado por Austin , Morris y Rover , quienes argumentaron 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 en un tramo del ferrocarril Extertal en Alemania un monorraíl giroestabilizado basado en el sistema de Brennan. ^{[ 12 ]}

El sistema denominado Monocab está diseñado para permitir el servicio bidireccional en una sola vía, ya que los vehículos utilizan un único riel. Las cabinas, que operarán de forma autónoma bajo demanda, están diseñadas para ser estrechas. ^{[ 13 ]}

En septiembre de 2020, Monocab recibió financiación del Fondo Europeo de Desarrollo Regional y del estado de Renania del Norte-Westfalia por un total de 3,6 millones de euros. ^{[ 14 ]}

El vehículo circula sobre un único raíl convencional, por lo que sin el sistema de equilibrado volcaría.

Una rueda giratoria está montada en un bastidor cardán cuyo eje de rotación (el eje de precesión) es perpendicular al eje de giro. El conjunto está montado sobre el chasis del vehículo de tal manera que, en equilibrio , el eje de giro, el eje de precesión y el eje de balanceo del vehículo son mutuamente perpendiculares.

Al forzar la rotación del cardán, la rueda experimenta una precesión que genera pares giroscópicos alrededor del eje de balanceo, lo que permite que el mecanismo enderece el vehículo cuando se inclina respecto a la vertical . La rueda tiende 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 balanceo.

Idealmente, el mecanismo que aplica los pares de control al cardán debería ser pasivo (un conjunto de resortes , amortiguadores y palancas ), pero la naturaleza fundamental del problema indica que esto sería imposible. La posición de equilibrio se da con el vehículo en posición vertical, de modo que cualquier perturbación de esta posición reduce la altura del centro de gravedad , disminuyendo la energía potencial del sistema. El mecanismo que devuelve 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 algún tipo de servocontrol activo.

Si las fuerzas laterales constantes se contrarrestaran únicamente con la acción giroscópica, el cardán giraría rápidamente hasta los topes y el vehículo volcaría. De hecho, el mecanismo provoca que el vehículo se incline hacia la perturbación, resistiéndola con una parte de su peso, con el giroscopio cerca de su posición de equilibrio.

Las fuerzas laterales inerciales, que surgen al tomar una curva, hacen que el vehículo se incline hacia ella. Un solo giroscopio introduce una asimetría que provoca que el vehículo se incline demasiado, o no lo suficiente como para que la fuerza neta se mantenga 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 respecto al espacio inercial , y los momentos giroscópicos se generan al rotarlo alrededor de un eje perpendicular al eje de giro. Sin embargo, el sistema de control desvía el giroscopio con respecto al chasis , y no con respecto a las estrellas fijas. Por consiguiente, el movimiento de cabeceo y guiñada del vehículo con respecto al espacio inercial introduce pares giroscópicos adicionales no deseados. Estos generan equilibrios insatisfactorios, pero, más gravemente, provocan una pérdida de estabilidad estática al girar en una dirección y un aumento de la estabilidad estática en la dirección opuesta. Shilovsky se enfrentó a este problema con su vehículo de carretera, que, en consecuencia, no podía realizar giros bruscos a la izquierda.

Brennan y Scherl eran conscientes de este problema e implementaron sus sistemas de equilibrio con pares de giroscopios que giraban en sentido contrario, precesando en direcciones opuestas. Con esta configuración, todo movimiento del vehículo con respecto al espacio inercial produce pares de torsión iguales y opuestos en los dos giroscopios, que se anulan mutuamente. Con el sistema de doble giroscopio, se elimina la inestabilidad en las curvas y el vehículo se inclina al ángulo correcto, de modo que no se experimenta ninguna fuerza lateral neta a bordo.

Shilovsky afirmó tener dificultades para garantizar la estabilidad con sistemas de doble giroscopio, aunque no está claro el motivo. Su solución consistió en variar los parámetros del bucle de control con la velocidad de giro, para mantener una respuesta similar en giros de cualquier dirección.

Las cargas descentradas también provocan que el vehículo se incline hasta que su centro de gravedad se sitúe por encima del punto de apoyo. Los vientos laterales hacen que el vehículo se incline hacia ellos, contrarrestiéndolos con parte de su peso. Es probable que estas fuerzas de contacto causen mayor incomodidad que las fuerzas de giro, ya que generan fuerzas laterales netas que se experimentan a bordo.

Las fuerzas en el lado de contacto generan una desviación en el cardán durante un bucle de Shilovsky. Esto puede utilizarse como entrada para un bucle más lento que desplace el centro de gravedad lateralmente, de modo que el vehículo permanezca erguido ante fuerzas no inerciales sostenidas. Esta combinación de giroscopio y desplazamiento lateral del centro de gravedad fue patentada en 1962. En 1962, Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney construyeron en Estados Unidos un vehículo que utilizaba un giroscopio y un desplazamiento lateral de la carga útil . Este sistema se conoce como monorraíl Gyro-Dynamics.