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Dec 09, 2023

車輪科学

Concetti chiave del progetto Science Buddies Geometry Science

Science Buddies による幾何学科学プロジェクト

主要な概念物理工学幾何学遠心力

導入電車が通過するのを見たことがありますか? もしそうなら、どうやって列車が線路上に留まることができるのか不思議に思ったかもしれません。 その秘密は電車の車輪にあります。 一見すると円筒形に見えますが、よく見ると少しかまぼこ状になっていることがわかります。 (もちろん、稼働中の電車には絶対に近づかないでください。) この特殊な形状により、電車が線路上に留まります。 このアクティビティでは、さまざまなホイール形状をテストして、円錐ホイールが他のデザインよりも優れている理由を調べます。

背景電車の車両の両側の車輪は、車軸と呼ばれる金属の棒で接続されています。 この車軸によって 2 つの輪列が一緒に動き、列車の走行中は両方とも同じ速度で回転します。

この構造は直線トラックに最適です。 しかし、電車がカーブを曲がる必要がある場合、両方の車輪が常に同じ速度で回転しているという事実が問題になる可能性があります。 カーブの外側は内側よりわずかに長いため、実際には外側レールの車輪は内側レールの車輪よりも長い距離を移動する必要があります。 これを実証するには、2 つのレールで構成される電車の線路を紙に描いてみましょう。 巻尺 (または紐と定規) を使用して、各線の長さを測定します。 トラックの外側のラインは内側のラインより長くなければなりません。 しかし、両方の車輪が同じ速度で回転している場合、どのようにして一方の車輪がもう一方の車輪よりも長い距離を走行できるのでしょうか?

ここで車輪の形状が重要になります。車輪がトラック上に留まるようにするために、通常、車輪の形状はわずかに円錐形になっています。 これは、ホイールの内側の外周がホイールの外側よりも大きいことを意味します。 (電車が線路から転落するのを防ぐために、電車の内側にはフランジ、または盛り上がったエッジもあります。) 傾斜した車輪を持つ電車が回転すると、遠心力によって外側の車輪が円錐のより大きな部分に押し付けられ、円錐の外側の車輪が押されます。内側のホイールをコーンの小さい部分に取り付けます。 その結果、列車が回転するとき、事実上 2 つの異なるサイズの車輪で瞬間的に走行することになります。 外側の車輪の円周が大きくなると、内側の小さい車輪と同じ速度で回転しても、より長い距離を移動することができます。 列車は無事に線路上に留まりました！ このアクティビティでは、輪列の形状が軌道を維持する能力にどのような影響を与えるかを自分でテストします。

材料

準備

手順

観察と結果異なるカップ設定は、異なる輪列形状の可能性を表します。 どちらのカップの設定も、傾斜した輪列の車輪を表していますが、車輪の傾斜方向はまったく逆でした。 最初のセットアップではホイールの外側の直径が大きかったのに対し、2 番目のカップのセットアップでは逆になりました。 ご覧のとおり、ホイールのデザインは、トラック上でのホイールの動作に大きな違いをもたらします。

最初のカップ組み立てをコース上に維持するのはおそらく困難でした。 線路の終点に到達する前に、ほぼ毎回脱線するはずだった。 カップをどのように配置したとしても、通常はトラックから落ちてしまう可能性があります。 このアセンブリは、完全に中心にある場合にのみトラック上に留まります。 しかし、これを達成するのはほぼ不可能です。 セットアップが少し中心から外れると、坂を下る途中で脱線してしまいます。 アセンブリの中心を左にずらした場合、左側のレールにあるカップの部分の円周は、右側のレールにあるカップの部分よりも小さくなります。 したがって、列車の左側の車輪は右側の車輪よりも小さくなりました。 その結果、アセンブリ全体はおそらくさらに左に、つまり外周の小さい車輪の方向に向きを変え、最終的には線路から転落したと考えられます。 アセンブリの中心を右にずらした場合は、おそらくその逆になります。

ただし、2 番目のセットアップは、たとえ中心から外れていたとしても、トラック上に留まるはずです。 このセットアップの中心を左にずらすと、左側のレールに乗っていたカップの部分が、右側のレールに乗っていたカップの部分よりも大きくなりました。 この場合、列車の左車輪は列車の右車輪よりも大きかった。 その結果、アセンブリはおそらく右に曲がり、その位置をトラックの中心に近づくように修正しました。 このホイールのセットアップが中心からずれると、自動的に中心に向かって軌道を修正するため、非常に安定したシステムになります。

上り坂で観察したのと同じ原理が、電車が回転するときに車輪が軌道上に留まるのにも役立ちます。 列車が旋回中に横に押されると車輪のサイズが変化するため、外側の車輪 (大きくなります) は内側の車輪 (小さくなります) よりも長い距離を移動できます。 こうすることで、外側のホイールが同じ速度で回転しながら、より多くの距離を走行できるようになります。

さらに探索する電車の車輪はどうやって回るの？ Science ABC より線路から落ちずに列車が曲がる仕組みの科学、 Popular Mechanics よりローリング レースより、Scientific American より、子供向け STEM アクティビティ、Science Buddies より

このアクティビティは、Science Buddies との提携により実現しました。

マノン・ビショフ

メーガン・バーテルズ

サイマ・メイ・シディク

メーガン・バーテルズ

ケイト・ウォン

ダニエル・キュージックとE&Eニュース