Вы когда-нибудь видели, как проезжает поезд? Если это так, вы могли бы задаться вопросом, как поезд может оставаться на своем пути. Секрет кроется в колесах поезда. Хотя на первый взгляд они кажутся цилиндрическими, при более внимательном рассмотрении вы заметите, что они имеют слегка полуконическую форму. Эта особая геометрия - это то, что удерживает поезда на рельсах. В этом упражнении вы испытаете различные формы колес, чтобы выяснить, почему коническое колесо превосходит другие конструкции.
Колеса на каждой стороне вагона соединены металлическим стержнем, называемым осью. Эта ось обеспечивает движение двух колес поезда, вращающихся с одинаковой скоростью, когда поезд движется.
Эта конструкция отлично подходит для прямых трасс. Но когда поезд должен вращаться вокруг поворота, проблема в том, что оба колеса вращаются с одинаковой скоростью. Внешняя сторона кривой немного длиннее, чем внутренняя, поэтому колесо на внешней направляющей фактически должно покрывать большее расстояние, чем колесо на внутренней направляющей. Вы можете продемонстрировать это, нарисовав железнодорожную колею, состоящую из двух рельсов, с поворотом на листе бумаги. Возьмите мерную ленту (или струну и линейку) и измерьте длину каждой линии. Внешняя линия дорожки должна быть длиннее внутренней линии. Но как одно колесо может преодолеть большее расстояние, чем другое, если они вращаются с одинаковой скоростью?
Это где геометрия колес входит. Чтобы помочь колесам остаться на дорожке, их форма обычно слегка коническая. Это означает, что внутренняя часть колеса имеет большую окружность, чем внешняя часть колеса. Когда поезд с наклонными колесами поворачивается, центробежная сила толкает внешнее колесо к большей части конуса и толкает внутри колеса на меньшую часть конуса. В результате, когда поезд вращается, он мгновенно движется на колесах, которые фактически двух разных размеров.
Вам понадобиться : не менее четырех пластиковых или пенопластовых стаканчиков одинакового размера, лента, две линейки или дворовые палки одинаковой длины, книга или коробка, плоское рабочее пространство
Возьмите две чашки и склейте их вместе, чтобы их основания были обращены друг к другу. Это ваша первая настройка чашки.
Возьмите две другие чашки и приклейте их друг к другу. Это ваша вторая установка чашки. Можете ли вы описать различия между формами первой и второй чашек? Как они выглядят похожими или разными? Какой из них выглядит более стабильным для вас?
Установите модель железнодорожной колеи с двумя линейками или мерками и вашей книгой или коробкой. Поместите линейки параллельно одной стороной на книгу, а другой на рабочую поверхность, создавая уклон. Поднимите линейки по бокам так, чтобы длинные узкие стороны были направлены вверх и чтобы вы могли установить каждую чашку на дорожку. Надежно зафиксируйте линейку на месте.
Аккуратно поместите первую чашку на дорожку в верхней части склона. Постарайтесь разместить его как можно ближе к центру. Почему это имеет значение, как вы ставите чашки на дорожку?
Отпустите настройку чашки, и пусть она катится по дорожке. Что ты заметил? Как эта настройка чашки ведет себя на трассе?
Повторите этот шаг несколько раз и наблюдайте, что происходит с настройкой чашки на дорожке каждый раз. Вы всегда получаете одинаковые результаты?
Поместите вторую установку чашки на следы. Снова попытайтесь поместить это в самый центр следа.
Позвольте установке чашки катиться вниз по дорожке. Что происходит в этот раз? Результаты похожи или отличаются от предыдущих настроек чашки?
Повторите этот шаг несколько раз и снова посмотрите, что происходит каждый раз. Ваши результаты меняются с нескольких попыток или они всегда одинаковы?
Возьмите первый набор чашек снова и поместите его на дорожки. На этот раз поместите его там вне центра. Сдвиньте его немного влево или вправо. Как вы думаете, это меняет ваши результаты?
Отпустите настройку чашки, и пусть она катится по дорожке. Это делает все это вниз по дорожкам, не падая?
Возьмите вторую чашку и поместите ее на дорожку. Снова поместите это немного от центра или влево или вправо. Как вы думаете, они упадут с треков?
Позвольте установке чашки катиться вниз по дорожке. Что вы наблюдаете? Можете ли вы объяснить свои наблюдения?
Что у нас получилось.
Различные настройки чашки представляют различные варианты формы колеса поезда. Обе установки чашек представляют собой набор наклонных колес поезда, но направление, в котором наклонены колеса, было совершенно противоположным. В то время как в первой настройке внешняя сторона колеса имела больший диаметр, во второй конфигурации чашки она была обратной. Как вы, вероятно, заметили, дизайн колес имеет огромное значение в том, как колеса ведут себя на трассе.