Блог

Dec 09, 2023

Наука о поездных колесах

Геометрический научный проект от Science Buddies Key Concepts

Геометрический научный проект от Science Buddies

Ключевые идеиФизикаИнженерное делоГеометрияЦентробежная сила

Введение Вы когда-нибудь видели, как проезжает поезд? Если да, то вы, возможно, задаетесь вопросом, как поезду удается оставаться на рельсах. Секрет кроется в колесах поезда. Хотя на первый взгляд они кажутся цилиндрическими, присмотревшись, вы заметите, что они имеют слегка полуконическую форму. (Конечно, никогда не приближайтесь к работающему поезду!) Именно эта особая геометрия удерживает поезда на путях. В этом упражнении вы испытаете колеса различных форм и поймете, почему коническое колесо лучше других.

Фон Колеса с каждой стороны вагона соединены металлическим стержнем, называемым осью. Эта ось обеспечивает совместное движение двух колес поезда, причем оба колеса вращаются с одинаковой скоростью во время движения поезда.

Эта конструкция отлично подходит для прямых трасс. Но когда поезду необходимо пройти поворот, тот факт, что оба колеса всегда вращаются с одинаковой скоростью, может стать проблемой. Внешняя часть поворота немного длиннее внутренней, поэтому колесу на внешнем рельсе фактически нужно преодолеть большее расстояние, чем колесу на внутреннем рельсе. Вы можете продемонстрировать это, нарисовав на листе бумаги железнодорожный путь, состоящий из двух рельсов, с поворотом. Возьмите рулетку (или веревку и линейку) и измерьте длину каждой линии. Внешняя линия дорожки должна быть длиннее внутренней. Но как одно колесо может преодолеть большее расстояние, чем другое, если они оба вращаются с одинаковой скоростью?

Здесь важна геометрия колес. Чтобы колеса оставались на колеи, их форма обычно слегка коническая. Это означает, что внутренняя часть колеса имеет большую окружность, чем внешняя. (У них также есть борт или приподнятый край на внутренней стороне, чтобы предотвратить падение поезда с рельсов.) Когда поезд с наклонными колесами поворачивается, центробежная сила толкает внешнее колесо к большей части конуса и толкает внутреннего колеса к меньшей части конуса. В результате, когда поезд поворачивает, он на мгновение движется на колесах, которые фактически имеют два разных размера. Поскольку окружность внешнего колеса становится больше, оно может преодолевать большее расстояние, хотя вращается с той же скоростью, что и меньшее внутреннее колесо. Поезд успешно держится на путях! В этом упражнении вы сами проверите, как форма колес поезда влияет на его способность оставаться на ходу.

Материалы

Подготовка

Процедура

Наблюдения и результаты Различные конфигурации чашек представляют собой различные возможности формы колес поезда. Обе конструкции чашек представляют собой набор наклоненных колес поезда, но направление наклона колес было прямо противоположным. Если в первой установке внешняя сторона колеса имела больший диаметр, то во второй установке с чашкой все было наоборот. Как вы, вероятно, заметили, конструкция колес оказывает огромное влияние на поведение колес на трассе.

Наверное, сложно было удержать первую кубковую сборку на трассе. Он должен был сходить с рельсов почти каждый раз, прежде чем достигал конца пути. Независимо от того, как вы ставили чашки, они, вероятно, обычно падали с дорожки. Этот узел остается на гусенице только в том случае, если он идеально отцентрирован. Но добиться этого практически невозможно. Как только установка немного отклонится от центра, она сойдет с рельсов на пути вниз по склону. Когда вы сместили сборку от центра влево, часть чашки, расположенная на левой направляющей, имела меньшую окружность, чем часть чашки, расположенная на правой направляющей. Таким образом, левое колесо поезда было меньше правого. В результате вся сборка, вероятно, свернула еще левее — в сторону колеса меньшей окружности и в конце концов сошла с рельсов. Вероятно, имело место обратное, если вы сместили сборку вправо от центра.