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Dec 09, 2023

Scienza delle ruote del treno

A geometric science project from Science Buddies Key Concepts

Un progetto di scienze geometriche di Science Buddies

Concetti chiaveFisicaIngegneriaGeometriaForza centrifuga

introduzione Hai mai visto passare un treno? Se è così, forse ti sarai chiesto come fa il treno a rimanere sui suoi binari. Il segreto sta nelle ruote del treno. Anche se a prima vista sembrano cilindrici, osservandoli più da vicino noterete che hanno una forma leggermente semiconica. (Ovviamente, non avvicinarti mai a un treno funzionante!) Questa speciale geometria è ciò che mantiene i treni sui binari. In questa attività metterai alla prova diverse forme di ruote per scoprire perché la ruota conica è superiore ad altri design.

Sfondo Le ruote su ciascun lato di un vagone ferroviario sono collegate con un'asta metallica chiamata asse. Questo asse mantiene le due ruote del treno in movimento insieme, girando entrambe alla stessa velocità quando il treno è in movimento.

Questa costruzione è ottima per i binari diritti. Ma quando un treno deve affrontare una curva, il fatto che entrambe le ruote girino sempre alla stessa velocità può diventare un problema. La parte esterna di una curva è leggermente più lunga della parte interna, quindi la ruota sul binario esterno deve effettivamente coprire una distanza maggiore rispetto alla ruota sul binario interno. Puoi dimostrarlo disegnando un binario ferroviario, composto da due rotaie, con una svolta su un pezzo di carta. Prendi un metro a nastro (o uno spago e un righello) e misura la lunghezza di ciascuna linea. La linea esterna della pista dovrebbe essere più lunga della linea interna. Ma come può una ruota coprire una distanza maggiore dell'altra se entrambe ruotano alla stessa velocità?

È qui che entra in gioco la geometria delle ruote. Per aiutare le ruote a rimanere in pista, la loro forma è solitamente leggermente conica. Ciò significa che l'interno della ruota ha una circonferenza maggiore rispetto all'esterno della ruota. (Hanno anche una flangia, o bordo rialzato, sul lato interno per evitare che il treno cada dai binari.) Quando un treno con ruote inclinate gira, la forza centrifuga spinge la ruota esterna verso la parte più grande del cono e spinge il ruota interna alla parte più piccola del cono. Di conseguenza, quando un treno gira, corre momentaneamente su ruote che sono effettivamente di due dimensioni diverse. Man mano che la circonferenza della ruota esterna diventa più grande, è in grado di percorrere una distanza maggiore anche se ruota alla stessa velocità della ruota interna più piccola. Il treno rimane sui binari con successo! In questa attività metterai alla prova tu stesso in che modo le forme delle ruote dei treni influiscono sulla loro capacità di rimanere in carreggiata.

Materiali

Preparazione

Procedura

Osservazioni e risultati Le diverse configurazioni della tazza rappresentano diverse possibilità di forma della ruota del treno. Entrambe le configurazioni delle tazze rappresentano una serie di ruote del treno inclinate, ma la direzione in cui le ruote sono inclinate era esattamente l'opposto. Mentre nella prima configurazione il lato esterno della ruota aveva il diametro maggiore, nella seconda configurazione a tazza era il contrario. Il design delle ruote fa un'enorme differenza nel comportamento delle ruote su una pista, come probabilmente avrai osservato.

Probabilmente è stato difficile mantenere in pista il primo assemblaggio della coppa. Avrebbe dovuto deragliare quasi ogni volta prima di raggiungere la fine del binario. Non importa come posizionavi le tazze, probabilmente di solito cadevano fuori dai binari. Questo assieme rimane sul binario solo se è perfettamente centrato. Ma questo è quasi impossibile da realizzare. Non appena il setup sarà leggermente decentrato, deraglia durante la discesa. Quando hai decentrato l'assemblaggio a sinistra, la parte della tazza che si trova sulla guida sinistra aveva una circonferenza più piccola rispetto alla parte della tazza che si trova sulla guida destra. Pertanto la ruota sinistra del treno era più piccola della ruota destra del treno. Di conseguenza l'intero gruppo probabilmente girò ancora più a sinistra, in direzione della ruota di circonferenza più piccola, e alla fine cadde dai binari. Probabilmente è avvenuto il contrario se si è decentrato l'assemblaggio verso destra.