100多年前單軌火車是如何發明的？帶你看單軌火車的平衡原理

這是一百多年前英國發明的單軌火車 無需駕駛員的操作 就能在單軌道上自動調整姿勢保持平衡 看似違背了現有的物理定律 而它究竟是如何做到的 1910年 英國發明家布倫南 為瞭解決傳統雙軌鐵路鋪設成本過高 以及過大的轉彎半徑 難以適應彎曲路線的問題 於是利用陀螺的角動量守恆原理 發明出了一種 能夠自動糾正傾斜角度的單軌列車 起初他發現 當單個陀螺中的轉子快速旋轉時 產生的角動量就會使其保持穩定 一旦受到外力發生傾斜 轉盤就會圍繞垂直軸進行旋轉 這種現象就被稱為靜動 也就是說 無論外力如何施加 陀螺儀總能依靠角動量守恆定律 回到最初的平衡狀態 於是布倫南在模型火車中 安裝了一個小型飛輪 並將其連接至電機進行實驗 雖然陀螺儀的靜動作用 確實可以使火車保持穩定 但問題是 當火車再遇到轉彎時 由於陀螺儀沒有隨之轉動 而靜動又阻止了火車的轉彎 最終導致火車發生了傾斜並出軌 為瞭解決這一問題 布倫南又增加了一個陀螺儀 使其朝相反的方向旋轉 並通過一組齒輪進行連接 當其中一個陀螺儀發生偏轉 另一個則會以完全相反的方向轉動 如此一來 火車在轉彎時 兩個陀螺儀就會在相互作用下 抵消掉多餘的靜動 在突破了技術瓶頸後 布倫南決定打造出一個1比1的原型機 全長約12米 重22噸 並配備兩個轉速達每分鐘3500轉的巨型陀螺儀 但此時他發現 不同於小模型實驗 陀螺儀不僅要對抗自身的旋轉 還要抵抗火車本身帶來的巨大重力 當火車發生傾斜時 其重心會將車身不斷下拉 如果陀螺儀無法產生出足夠強的靜動 就無法保持火車的穩定性 為了能夠增加陀螺儀的靜動 布倫南決定將其連接到汽油發動機上 並放置在一個真空封閉的外殼中以減小摩擦 即便電力耗盡 陀螺儀也能繼續旋轉長達30分鐘 確保火車有足夠的時間不會側翻 隨後布倫南又將陀螺儀放在了一個萬象節上 使整個系統能在火車的橫向軸進行旋轉 同時將每個陀螺儀的旋轉軸從外殼伸出 並在上下兩側各添加一塊與火車底盤連接的導板 當火車出現傾斜 旋轉軸就會與其中一塊導板接觸 產生的摩擦力就會使陀螺儀在上面滾動 如此一來就能使靜動大幅增強 從而維持火車的平衡 但這時又出現了一個問題 由於火車在行駛中會發生震動 這會導致旋轉軸在導板上反復彈跳 使其難以產生出平穩且適當的力矩 於是布倫南果斷放棄了導板方案 採用了一種更為精妙的設計 他先是將陀螺儀固定在火車底部 使其能夠跟著火車一起旋轉 以此來產生出自然的靜動 同時在右側陀螺儀的旋轉軸中 裝有一個控制桿 並在末端連接一個 用來控制空氣流量閥門的槓桿裝置 當空氣被壓縮後 會沿著兩根管道 進入一個穿透陀螺儀中心的雙端管道 同時在兩個陀螺儀之間放置一個齒輪架 當火車出現傾斜的瞬間 陀螺儀就會發生靜動 驅動著控制桿推動閥門開關 而壓縮後的空氣 就會從其中的一根管道流到粗管的一側 並在壓力的推動下 迫使另一個陀螺儀產生反方向靜動 直到火車恢復平衡 整個過程不僅順時完成 且還巧妙地運用了動力系統 僅用一個較小的力 就產生出了一個較大的力 從而吸收掉了火車傾斜的重力 即便車內所有乘客全都站在同一側 火車也不會發生側翻 雖然布倫南的原型機取得了巨大的成功 但卻沒有受到投資者的青睞 由於每個車廂都要安裝如此複雜的陀螺儀系統 不僅會增加成本以及各種不確定因素 外加當時的雙軌列車已經非常成熟 最終導致這個項目被摒棄掉 但這一原理 卻在之後的航天領域中大放光彩 不得不說 人類的智慧真的是無窮無盡