Tàu một ray Brennan - Một phát minh kì thú

Đây là chiếc tàu một ray Brennan, một phương tiên từ những năm 1900 có vẻ như thách thức mọi quy tắc vật lý. Nó không chỉ thăng bằng một cách hoàn hảo chỉ trên MỘT thanh ray mà nó còn có thể nghiêng ở những góc cua mà không cần người lái làm gì cả ngoài ngồi nhìn.

Có thể nhiều người sẽ không tin và bảo đây là fake, cơ mà đây là một phát minh có thật và nó được ra mắt công chúng vào năm 1910 bởi nhà phát minh của nó, Louis Brennan.

Ý tưởng dẫn đến việc chế tạo chiếc tàu kỳ dị này là việc chỉ dùng một thanh ray thay vì hai sẽ giúp việc xây đường ray rẻ hơn và làm cho tàu chạy nhanh hơn. Chiếc tàu của Brennan có thể "ôm cua" với tốc độ cao hơn mà không bị ném ra khỏi đường ray như với các tàu thường. Và đường ray của ông chỉ cần một nửa số nguyên vật liệu.

Không giống như những chiếc tàu một ray mà ngày nay ta có, sử dụng những đường ray dày và được xây trên không, chiếc tàu một ray của Brennan có thể chạy trên những đường ray sẵn có. Mặc dù nhìn có vẻ sơ sài nhưng nó rất ổn định. Trong "trái tim" của con tàu là một chiếc con quay hồi chuyển (gyroscope) với khả năng chỉnh lại sự nghiêng của con tàu trước khi hành khách có thể nhận ra.

Đây là một tuyệt tác công nghệ và kỹ thuật, đặc biệt là vào những năm 1910. Nhưng thực sự thì nó hoạt động thế nào?

Để thực sự hiểu những thứ đang diễn ra ở đây, bạn phải biết một ít về con quay hồi chuyển đã.

Về cơ bản, nếu bạn xoay một cái đĩa THẬT nhanh, xung lượng góc (angular momentum) của cái đĩa sẽ cố gắng giữ cho nó ổn định một cách HOÀN HẢO. Giống như khi bạn đang đạp xe vậy, bạn đạp quá chậm thì bạn ngã, còn nếu bạn đạp đủ nhanh thì xe đạp sẽ thăng bằng và bạn sẽ không ngã.

Nếu bạn cố gắng làm nó nghiêng theo một hướng, nó sẽ bắt đầu quay trên trục thẳng đứng. Đây được gọi là tuế sai (precession). Nhưng nếu thay vì làm cho cái đĩa nghiêng đi, ta lại làm cho nó tiến động (precess) , thì cái đĩa lại nghiêng đi theo hướng ngược lại. Điều này xảy ra là do một con quay hồi chuyển sẽ luôn tìm cách để quay lại trang thái cân bằng. Brennan nhìn thấy hiện tượng này và nghĩ đây chính là chìa khóa để giúp còn tàu của ông cân bằng trên một thanh ray. Vậy là ông đã thí nghiệm bằng cách đặt một con quay hồi chuyển trong một mô hình tàu và nối nó với một mô-tơ điện.

Ban đầu thì nó hoạt động ổn và mỗi khi cái mô hình chuẩn bị đổ thì con quay hồi chuyển lại giữ cho nó cân bằng. Nhưng vấn đề là khi chiếc tàu cua, con quay hồi lại chuyển không chuyển động cùng hướng với con tàu vì nó đang cố gắng duy trì vị trí. Từ góc nhìn của chiếc tàu, con quay hồi chuyển đang tiến động, làm cho con tàu bị nghiêng, đổ và bị văng ra khỏi đường ray. Để xử lý vấn đề này, Brennan đặt thêm một chiếc con quay hồi chuyển (mỗi cái ở một bên tàu) và làm cho chúng xoay NGƯỢC chiều nhau. Hai con quay hồi chuyển được kết nối bởi một bánh răng để khi một con quay tiến động, con quay còn lại cũng sẽ tiến động theo hướng ngược lại. Bằng cách này, khi còn tàu cua, vì cả hai con quay đều "muốn" hướng về cùng một phía, nhưng việc đó là không thể vì có bánh răng ở giữa, sẽ bị "ép" phải quay theo hướng đi của con tàu, và vậy là tuế sai không mong muốn sẽ không xảy ra.

Với một vấn đề khác nữa đã được giải quyết, Brennan quay ra và bắt đầu chế tạo một nguyên mẫu lớn để bắt đầu thử nghiệm với hành khách là con người thật. Nguyên mẫu mà ông chế tạo là một phương tiện dài 12 mét, nặng 22 tấn với hai con quay hồi chuyển khổng lồ trong buồng lái quay với vận tốc 3500 vòng/phút.

Nhưng việc tăng kích thước làm thiết kế của ông để lộ ra một vấn đề lớn. Với việc bây giờ đoàn tàu trở nên nặng hơn nhiều, những con qauy hồi chuyển không chỉ cố gắng chống lại chuyển động quay của chính chúng, mà lực hấp dẫn của Trái Đất còn cố gắng kéo con tàu xuống nữa. Vấn đề này dễ để vượt qua hơn trong những mô hình nhỏ hơn của Brennan, nhưng bây giờ với 22 tấn đang cố gắng kéo con tàu xuống, những con quay hồi chuyển phải khỏe hơn nhiều.

Để con tàu của Brennan có thể giữ cho bản thân nó thăng bằng một cách hoàn hảo, nó phải vượt qua trọng lượng của chính nó khi lúc nào nó (trọng lượng của con tàu) cũng cố gắng kéo đổ con tàu. Khi con tàu nghiêng, trọng tâm đổi và con tàu bị kéo đổ. Tuế sai tự nhiên không đủ nhanh hoặc mạnh để giữ cho con tàu ổn định, vì vậy Brennan nghĩ ra một giải pháp. Ông nhận ra chìa khóa cho tất cả những rắc rối này là việc điều khiển sự tiến động của những con quay hồi chuyển. Bằng cách làm cho chúng tiến động có mục đích nhanh hơn bình thường, một lực lớn hơn sẽ được đặt vào việc lái con tàu. Vậy nên ông nối những con quay hồi chuyển với một động cơ xăng và đặt chúng (những con quay hồi chuyển) vào một môi trường chân không để làm giảm lực ma sát. Kể cả khi cái động cơ xăng kia có bị hỏng đi nữa thì những con quay hồi chuyển sẽ tiếp tục quay đến 30 phút nữa mới dừng. Ông đặt những con quay hồi chuyển trên một trục Cácđăng duy nhất cho phép toàn bộ hệ thống xoay trên sự nghiêng của con tàu. Trục của mỗi con quay hồi chuyển thò ra ngoài vỏ chân không của con quay và được đặt giữa hai đĩa định hướng (guide plates) được gắn với khung của con tàu.

Khi con tàu nghiêng đi, hai cái trục sẽ chạm vào một đĩa định hướng và ma sát sẽ làm cho chúng quay trên cái đĩa "như một bánh xe"

Việc này sẽ làm cho hai con quay hồi chuyển tiến động nhanh hơn nhiều thiết kế trước, đưa toàn bộ con tàu về lại trạng thái cân bằng. Nhưng vấn đề lại nảy sinh. Sự rung lắc khi tàu chạy sẽ làm cho trục của con quay nảy trên đĩa định hướng và chúng sẽ không bao giờ tạo ra một lực trơn tru và cân đối. Vì vậy Brennan vứt mấy cái đĩa định hướng đi và nghĩ ra một giải pháp còn tuyệt vời hơn! Ông cố định các con quay hồi chuyển vào khung tàu để chúng có thể nghiêng cùng với con tàu! Con tàu nghiêng đi và các con quay hồi chuyển làm việc mà nó thường làm và bắt đầu tiến động một cách tự nhiên. Trục của con quay được nối trực tiếp với một cơ chế điều khiển một thanh dẫn động.

Thanh dẫn động này được nối với một cái đòn bẩy và hai cái van điều tiết dòng chảy của khí nén. Lượng khí nén này chạy trong hai ống dẫn did vào hai đầu của một cái ống lớn chạy xuyên qua trung tâm của hai con quay hồi chuyển.

Trong chiếc ống này, có một thanh răng được đặt giữa hai con quay hồi chuyển và có thể di chuyển ra sau và trước để xoay chúng.

Khi con tàu nghiêng đi, các con quay sẽ tiến động và chiếc khớp dẫn động khôn khéo sẽ mở các van. Bằng cách đóng một chiếc van, không khí nén sẽ đi vào một đầu của chiếc ống to, làm tăng áp suất và đẩy thanh ray đi, làm cho hai con quay hồi chuyển phải tiến động theo hướng ngược chiều nhau cho đến khi con tàu quay lại trạng thái cân bằng.

Tất cả những điều này diễn ra ngay lập tức và hai con quay sẽ phản ứng trước khi con tàu bị nghiêng quá mức. Chìa khóa ở đây là không khí nén hoạt động như một hệ thống thủy lực, cho phép một lực bé hơn tạo ra một lực lớn hơn nhiều. Đây là một hệ thống thiên tài, sử dụng lực của con tàu nghiêng và nhân chính nó lên để tạo ra một đoàn tàu luôn MUỐN giữ thăng bằng.

Con tàu của Brennan khỏe đến mức, kể cả khi toàn bộ hành khách trên tàu đứng sang cùng một bên tàu thì con tàu vẫn cân bằng một cách HOÀN HẢO.

Nguyên mẫu của Brennan là một thành công lớn và vào thời bấy giờ nó có vẻ như là tương lai của ngành hỏa xa. Nhưng các nhà đầu tư lại không mấy mặn mà với con tàu này. Những con tàu sử dụng hai đường ray đã trở nên rất phát triển vào thời kỳ này, và việc một đoàn tàu kiểu Brennan sẽ cần con quay hồi chuyển cho mỗi toa đã kết thúc dự án này. Dù thế nào đi nữa, thật tuyệt vời để khám phá ra những phát minh hay ho này và tôn trọng những thiên tài đăng sau mỗi phát minh này.