Monorraíl giroscópico

El monorraíl giroscópico, monorraíl giroestabilizado, o autogiro son términos que se usan para designar a un vehículo terrestre de un solo raíl que utiliza la acción giroscópica de una rueda giratoria para superar la inestabilidad inherente al equilibrio sobre un solo raíl.

El monorraíl está asociado con los nombres de Louis Brennan, August Scherl y Pyotr Shilovsky, quienes construyeron prototipos funcionales a escala real durante la primera parte del siglo XX. Ernest F. Swinney, Harry Ferreira y Louis E. Swinney desarrollaron una versión en los EE. UU. en 1962.

El monorraíl giroscópico nunca fue desarrollado más allá de la etapa de prototipo.

La principal ventaja del monorraíl que menciona Shilovsky es la supresión de la oscilación de caza, una limitación de velocidad que tenían los ferrocarriles convencionales en aquella época. Además, se pueden realizar curvas más cerradas 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, de modo que no se experimenta ninguna aceleración centrífuga lateral a bordo.

Un inconveniente importante es que muchos automóviles (incluidos los de pasajeros y de carga, no solo las locomotoras) necesitarían un giroscopio motorizado para mantenerse en posición vertical.

A diferencia de otros métodos 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 solo sirve para proporcionar estabilidad dinámica. Por lo tanto, la parte activa del sistema de equilibrio se describe con más precisión como un amortiguador de balanceo.

La imagen de la sección principal muestra el prototipo de vehículo de 22 toneladas (peso en vacío) desarrollado por Louis Brennan. Brennan presentó su primera patente de monorraíl en 1903.

Su primer modelo de demostración fue 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 para el desarrollo de un vehículo de tamaño completo. Esto fue vetado por su Departamento Financiero. Sin embargo, el Ejército encontró £2.000 de varias fuentes para financiar el trabajo de Brennan.

Con este presupuesto, Brennan produjo un modelo más grande, de 1,83 x 0,46 m (6,0 x 1,5 pies), que se mantenía en equilibrio gracias a dos rotores de giroscopio de 127 mm (5,0 pulgadas) de diámetro. Este modelo todavía se conserva en el Museo de Ciencias de Londres. La vía para el vehículo se colocó 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 15 m (50 pies), esquinas agudas y pendientes de hasta uno de cada cinco. Brennan mostró su modelo en una conferencia ante la Royal Society en 1907, cuando se mostró corriendo de un lado a otro "sobre un cable tenso y delgado" "bajo el perfecto control del inventor".

El ferrocarril de 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 recortes financieros, detuvo de hecho 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 de Cachemira adelantó otras £5.000 (equivalente a £659.406 en 2023) en 1908. Este dinero casi se había gastado en enero de 1909, cuando la Oficina de la India adelantó otras £2.000 (equivalente a £263.333 en 2023).

El 15 de octubre de 1909, el automotor funcionó por primera vez con su propia potencia, transportando a 32 personas por la fábrica. El vehículo medía 12,2 x 3 m y, con un motor de gasolina de 20 caballos (15 kW), alcanzaba una velocidad de 35 km/h. La transmisión era eléctrica, y el motor de gasolina accionaba 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 equilibrado utilizaba un servomotor neumático, en lugar de las ruedas de fricción utilizadas en el modelo anterior.

Los giroscopios estaban ubicados en la cabina, aunque Brennan planeó 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. No hubo tiempo suficiente para reubicar los giroscopios antes del debut público del monorraíl.

El verdadero debut público del monorraíl de Brennan fue en la Exposición Japón-Británica en la Ciudad Blanca, Londres, en 1910. El monorraíl transportaba a 50 pasajeros a la vez por una pista circular a 32 km/h (20 millas por hora). Entre los pasajeros se encontraba Winston Churchill, que mostró un considerable entusiasmo. El interés fue tal que se produjeron monorraíles de juguete para niños, con una sola rueda y giroestabilizados, en Inglaterra y Alemania. Aunque era un medio de transporte viable, el monorraíl no logró atraer más inversiones. 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, un editor y filántropo alemán, anunció una demostración pública del monorraíl giroscópico que había desarrollado en Alemania. La demostración se llevaría a cabo el miércoles 10 de noviembre de 1909 en el Jardín Zoológico de Berlín.

La máquina de Scherl, también un vehículo de tamaño normal, era algo más pequeña que la de Brennan, con una longitud de sólo 5,2 m (17 pies). Podía acomodar a cuatro pasajeros en un par de asientos transversales. Los giroscopios estaban situados debajo de los asientos y tenían ejes verticales, mientras que Brennan utilizaba un par de giroscopios de eje horizontal. El servomecanismo era hidráulico y la propulsión eléctrica. Estrictamente hablando, August Scherl sólo proporcionó el respaldo financiero. El mecanismo de enderezamiento fue inventado por Paul Fröhlich y el coche fue diseñado por Emil Falcke.

Aunque el coche tuvo una buena acogida y funcionó perfectamente durante sus demostraciones públicas, 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 la inversión necesaria, el desarrollo práctico del giro-monorraíl después de 1910 continuó con el trabajo de Pyotr Shilovsky, 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. Después de desarrollar un modelo de giro-monorraíl 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 contrarrotante preferido por Brennan y Scherl, exhibía asimetría en su comportamiento y se volvía inestable durante los giros bruscos a la izquierda. Atrajo interés, pero no una financiación seria.

• 
  El giro de Schilowsky

En 1922, el gobierno soviético inició la construcción del monorraíl Shilovsky entre Leningrado y Tsarskoe Selo, pero los fondos se agotaron poco después de que se iniciara el proyecto.

En 1929, a los 74 años, Brennan también desarrolló un autogiro, pero el consorcio formado por Austin, Morris y Rover rechazó la propuesta porque creían 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 un monorraíl giroestabilizado según Brennan en un tramo del ferrocarril Extertal en Alemania.

El sistema denominado Monocab tiene como objetivo permitir el servicio bidireccional sobre una única vía, ya que los vehículos utilizan un solo raíl. Las cabinas, que funcionarán de forma autónoma según demanda, están diseñadas de forma estrecha.

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.

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

Una rueda giratoria está montada en un bastidor de cardán cuyo eje de rotación (el eje de precesión) es perpendicular al eje de giro. El conjunto está montado 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 son mutuamente perpendiculares.

Si se obliga al cardán a girar, la rueda se mueve en precesión, lo que genera pares giroscópicos sobre el eje de balanceo, de modo que el mecanismo tiene el potencial de enderezar el vehículo cuando se inclina respecto de 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 sobre su eje de balanceo.

Lo ideal sería que el mecanismo que aplica los pares de control al cardán fuera pasivo (un conjunto 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 alteración de esta posición reduce la altura del centro de gravedad, lo que disminuye la energía potencial del sistema. Cualquier elemento que devuelva el vehículo al equilibrio debe ser capaz de restaurar esta energía potencial y, por lo tanto, no puede constar únicamente de elementos pasivos. El sistema debe contener algún tipo de servomotor activo.

Si las fuerzas laterales constantes se resistieran únicamente con la acción giroscópica, el cardán rotaría rápidamente hasta los topes y el vehículo se volcaría. De hecho, el mecanismo hace que el vehículo se incline hacia la perturbación, resistiéndola con un componente de peso, con el giróscopo cerca de su posición no desviada.

Las fuerzas laterales inerciales que surgen al tomar una curva hacen que el vehículo se incline en la misma. Un solo giroscopio introduce una asimetría que hará que el vehículo se incline demasiado, o no lo suficiente para que la fuerza neta permanezca en el plano de simetría, por lo que se seguirán experimentando 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 rotarlo sobre 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 adicionales no deseados. Estos dan lugar a equilibrios insatisfactorios, pero lo que es más grave, causan una pérdida de estabilidad estática al girar en una dirección y un aumento de la estabilidad estática en la dirección opuesta. Shilovsky se encontró con este problema con su vehículo de carretera, que en consecuencia no podía hacer giros bruscos hacia la izquierda.

Brennan y Scherl eran conscientes de este problema e implementaron sus sistemas de equilibrio con pares de giroscopios que giran en sentidos opuestos. Con esta disposición, todo movimiento del vehículo con respecto al espacio inercial provoca pares de torsión iguales y opuestos en los dos giroscopios y, en consecuencia, se anulan. Con el sistema de doble giroscopio, se elimina la inestabilidad en las curvas y el vehículo se inclinará en el ángulo correcto, de modo que no se experimente ninguna fuerza lateral neta a bordo.

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

Las cargas desplazadas también hacen que el vehículo se incline hasta que el centro de gravedad se sitúa por encima del punto de apoyo. Los vientos laterales hacen que el vehículo se incline hacia ellos para resistirlos con un componente de peso. Es probable que estas fuerzas de contacto provoquen más incomodidad que las fuerzas en las curvas, porque darán lugar a fuerzas laterales netas que se experimentarán a bordo.

Las fuerzas laterales de contacto dan como resultado una desviación del cardán en un bucle de Shilovsky. Esto se puede utilizar como entrada para un bucle más lento para desplazar el centro de gravedad lateralmente, de modo que el vehículo permanezca en posición vertical en presencia de fuerzas no inerciales sostenidas. Esta combinación de giroscopio y desplazamiento lateral del centro de gravedad 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 giroscopio y un desplazamiento lateral de la carga útil. Este sistema se denomina monorraíl Gyro-Dynamics.

Shilovsky mencionó una serie de supuestos beneficios, entre ellos:

• Los problemas de derecha de camino reducidos porque los gradientes más empinados y los ángulos más agudos pueden ser negociados en teoría.

En su libro, Shilovsky describe una forma de frenado sobre la vía que es posible con un monorraíl, pero que 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 de la separación segura entre trenes.

• Shilovsky afirmó que sus diseños eran más ligeros que los vehículos equivalentes de duo-rail. La masa de giro, según Brennan, representa el 3–5% del peso del vehículo, que es comparable al peso del bogie guardado en el uso de un solo diseño de pista.

Considerando que un vehículo negocia una curva horizontal, surgen los problemas más graves si el eje giro es vertical. Hay un componente de la velocidad de giro ${\displaystyle \Omega }$ actuando sobre el pivote gimbal, de modo que se introduce un momento giroscópico adicional en la ecuación del rollo:

${\displaystyle A{\frac {\f}\fnMicrosoft} ¿Qué? } {dt}+\ Omega \phi)=Wh\phi }$

Esto desplaza el balanceo del ángulo de inclinación correcto para el giro, pero lo que es más grave, cambia el término constante en la ecuación característica a:

${\displaystyle {\frac {\fnK} {\fnK}}}}}$

Evidentemente, si la velocidad de giro supera un valor crítico:

${\displaystyle # Omega = {\frac {Wh} {H}}}$

El bucle de equilibrio se volverá inestable. Sin embargo, un giroscopio idéntico que gire en sentido opuesto cancelará el par de giro que está causando la inestabilidad y, si se lo obliga a precesar en la dirección opuesta al primer giroscopio, producirá un par de control en la misma dirección.

En 1972, la División de Ingeniería Mecánica del Gobierno canadiense rechazó una propuesta de monorraíl en gran medida debido a este problema. Su análisis era correcto, pero su alcance estaba restringido a los sistemas giroscópicos de un solo eje vertical y no era universal.

Los motores de turbina de gas están diseñados con velocidades periféricas de hasta 400 metros por segundo (1.300 pies/s) y han funcionado de forma fiable en miles de aeronaves durante los últimos 50 años. Por tanto, una estimación de la masa del giroscopio para un avión de 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 que se utiliza en el diseño de motores a reacción, es de tan solo 140 kilogramos (310 libras). Por tanto, la recomendación de Brennan de un 3-5% de la masa del vehículo era muy conservadora.

• Tren avanzado de pasajeros
• Ferrocarril de Adhesión
• Dinámica de bicicletas y motocicletas
• Gyrobus
• Gyrocar
• Segway HT
• Lit Motors

• Schilovsky, Petr Petrovich (1922). El giroscopio, su construcción y aplicación práctica. E Spon Publications.
• Cousins, H (1913). "La estabilidad de los vehículos de una sola pista giroscópica". Ingeniería 2: 678-681.
• Graham, R (febrero de 1973). "Brennan, Su Helicóptero y otras Invenciones". Aeronautical Journal. 77 (746): 74–82. doi:10.1017/S0001924000040318. S2CID 117531165.
• Mee, A (1912). "Harmsworth". Ciencias populares. 3: 1680-1693.
• Eddy, H.T. (1910). "Los Principios Mecánicos del Auto Mono-Rail de Brennan". Journal of the Franklin Institute. 169 (6): 467–485. doi:10.1016/s0016-0032(10)90004-5.
• Tomlinson, N (1980). Louis Brennan, Inventor Extraordinaire. John Hallewell Publications. ISBN 0-905540-18-2.
• "El coche monoorráfico Scherl". Scientific American. 102 (4): 84. 22 de enero de 1910. Bibcode:1910SciAm.102...84. doi:10.1038/cientificamerican01221910-84.
• "El vehículo Brennan Mono-Track". El motor comercial. 18 de noviembre de 1909.
• "El Sistema Monorágil Giroscópico de Schilowski". El Ingeniero. 23 de enero de 1913.
• Hamill, P.A. (diciembre de 1972). "Comentarios sobre una propuesta monovalorail estabilizada por Gyro". LTR-Cs-77. y otros Canadá: Laboratorio de Sistemas de Control.
• "Vehículos de lujo". Ingeniería: 794. 14 de junio de 1907.
• Rogers, G.F.C.; Mayhew, Y.R. (1972). Ingeniería Termodinámica, Trabajo y Transferencia de Calor (tercera edición). Longman, p. 433.
• Mori, Hiroshi (2017). Teorías y Experimentos con Gyro Monorail (PDF).
• Mori, Hiroshi (2017). Cómo construir un sencillo Gyro Monorail (PDF).

Medios relacionados con el monorail Gyro en Wikimedia Commons

• Monorail Society Special Feature on Swinney's monorail
• Giroscopio ferrocarril
• El Mono de Equilibrio