100多年前的天才发明!单轨列车的原理是什么?为何没被广泛应用?

科普记 2024-02-07 13:49:54

这是一辆1900年代初的火车,单轨的形象似乎违反了物理定律。但是从理论上来说,它却比我们如今乘坐的火车更安全,因为它不会在高速转弯时脱轨。

这究竟是怎么做到的呢?

单轨列车是由爱尔兰发明家,路易斯·布伦南于1910年发明的,因此它也被称为“布伦南单轨列车”。列车的设计是由中间一排车轮,在一条轨道上单轨行驶着。虽然节省了成本,但就我们如今的眼光来看,万一不平衡、倾斜了该怎么办呢。

原来,单轨列车的核心是一个陀螺仪,它可以在列车倾斜时迅速纠正倾斜度。

那这个陀螺仪又是怎么回事呢?

为解决列车保持稳定的问题,设计师在列车内部正中间安装了这个陀螺仪。你可以把它理解成一个旋转非常快的圆盘,它的角动量会试图保持它的稳定性。例如,列车向右倾斜,它就会在垂直轴上向左旋转,以抵消掉两者倾斜的力。

但很快他们又面临了一个新的问题,那就是如何让陀螺仪跟着列车的方向转动。因为假如陀螺仪的方向和列车方向不一致,就会导致列车倾斜并脱轨。

为此,设计师又在列车上安装了第二个陀螺仪,使两个陀螺仪朝相反的方向旋转,中间用齿轮将两者连接起来。这样一来,当列车转弯时,两个陀螺仪就会相互制约,共同帮助列车保持平衡了。

接下来把这套理论照搬上列车实地测试一下,好像还需要改进。于是,设计师又在陀螺仪上加了一个发动机,更加速了陀螺仪的旋转速度。

另外,为避免火车的震动会妨碍到陀螺仪的转动,他们又在陀螺仪的轴上安装了一个拨杆。这个拨杆可以同时控制两个阀门,采用压缩空气的流动推动陀螺仪转动。如此一来,列车很快就恢复了平稳。在经历了“九九八十一难”,布伦南的单轨列车终于在1910年上线了。

那为什么没能延续到今天呢?

我们上面看到的只是一节列车的设计,如果想要多节车厢同时行驶,就需要在每一节车厢里都安装上陀螺仪。再加上当时的人们也已经习惯了双轨列车,久而久之布伦南单轨列车就被淘汰了。

但是别急,现如今我们也有属于我们自己的单轨列车了。例如重庆的网红站点李子坝站,那列穿墙而过的列车就是单轨列车。它是重庆轨道交通2号线,也是我国首条开通运营的跨座式单轨线路。

和我们上面看到的单轨列车不同,如今的单轨铁路的车辆比路轨还要宽,两边包裹着路轨行驶,有点像城市轨道交通,这种车辆在游乐园十分常见。

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