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不出軌的輪子

            不需要控制,會自己轉彎的輪子!
器材:橡皮塞、牙籤、電線、熱熔膠
操作步驟與現象:

  汽車用方向盤控制輪子轉向以進行轉彎,火車沒有方向盤,主要是靠鐵軌導引來轉彎,因此火車的輪子設計就很重要。如果不仔細觀察,火車的輪子看起來好像是平的,但實際上不是平的喔!

  為什麼火車的輪子不是平的呢?讓我們來實驗一下不同形狀的輪子,在轉彎時有何差別。

  圖一有三種輪子甲丙,分別以橡皮塞當輪子。甲是平的輪子(以圓筒塑膠管代替);乙和丙是用牙籤插入橡皮塞當車軸,乙是中央小、邊緣大的輪子;丙反過來是中央大、邊緣小的輪子。

  鐵軌以高壓電電線(高度較高,一般電線太小)用熱熔膠黏在木板上。製作好彎曲的鐵軌後,稍微墊高,成為斜坡,再將甲、乙、丙三種輪子分別放在鐵軌上自由滾動(如圖二),觀察三種輪子是否能夠在鐵軌上轉彎,而不會出軌?

實驗過程請觀看實驗影片(7.0M  

 

  由實驗結果可以發現只有「丙」可以在鐵軌上轉彎,甲和乙都很容易出軌!

  因此火車為了增加轉彎的穩定性,火車輪子的實際構造(如以下連結),類似丙的結構,輪子的內側都略大於外側。

1. http://www.turbosquid.com/3d-models/train-wheel-3ds/355301

2.http://www.cramster.com/answers-nov-11/mechanical-engineering/determine-velocities-trai-figure-shows-manner-train-wheel-rests_1637578.aspx?rec=0

原理:

  原理如下圖。

  由軌道起點A經過左彎的彎道到B時,軌道會偏到輪子的右邊;此時平筒式的輪子「甲」容易維持原來運動方向而出軌。至於「乙」的輪子,在B點時由於軌道偏到輪子的右邊,因此整組輪子會左傾,反之;「丙」的輪子是右傾。而重力(即重量,紅色箭頭)朝下,使得已經傾斜的乙、丙輪子,都有一個f1的分力(藍色箭頭);而乙輪子的f1分力朝左,此分力使乙輪子繼續往左偏,因此容易使輪子脫離軌道。而丙輪子的f1分力朝右,此分力會使丙輪子往右偏移,幫助輪子回到軌道中央,因此丙輪子就比較不容易出軌。

 

叮嚀的話:

  操作時,軌道的傾斜度不能太大,以避免輪子的滾動速度過快。而軌道可嘗試S形,以增加趣味性(但是軌道長度必須增加)。

  教學時,如果學生是國中以上程度,可以討論輪子減少摩擦力(例如貼上光滑的膠帶),對於防止輪子出軌,是有利因素還是不利因素?又有何優缺點?

參考解答:(請反白)輪子越光滑,摩擦力越低,可以讓丙輪子在轉彎時,傾斜的輪子更容易回到軌道,有利於避免出軌。但是輪子如果太光滑,與軌道的摩擦力太小,又容易造成抓地力降低,輪子容易空轉的缺點。

 

 

 

著作權所有:許良榮  2010.04 改版    網頁編輯:徐薇棋 顧 問:王德麟

  編輯群:李宛玲、林桂君、林盈全、郁繼文、陳宗威、陳佩君、陳淑娟

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