你知道火車輪子是什麼形狀嗎?讓我們通過下方的實驗來尋找答案。
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面向對象
小學高年級和初中低年級
材料準備
● 2個同樣材質的掃帚把或類似的光滑圓棍
● 2個一模一樣的圓臺形一次性塑料杯或紙杯
● A4或類似大小的長方形硬紙板
● 膠帶紙
● 1把椅子
活動步驟
(1)將2個杯子的杯口對接起來,然後用膠帶把它們粘在一起固定好。這樣你就做好了一個中間直徑比兩頭都要粗的圓筒了。接著,把長方形硬紙板捲成圓筒狀,注意要把長方形的短邊面對你自己,這樣做出來的圓筒長度和卡片的短邊一樣長。最後用膠帶固定圓筒。
你需要做兩個不同類型的圓筒
(2)將2個掃帚把並排放在椅子上,末端傾斜倚靠在地面上,形成一個滑道。調整兩個掃帚把的位置,儘量使其平行,兩者之間的距離約為10 cm。
架設好軌道
(3)將2個杯子做成的圓筒放在軌道頂部,然後放手,讓圓筒沿軌道下滑。
(4)然後換成用硬紙板捲成的圓筒,也讓它沿軌道下滑。
(5)看一看哪一種圓筒在滾動下滑的時候與軌道貼合得更好,就像粘在軌道上一樣?
看一看哪種圓筒更容易停留在軌道上
活動概述
觀察一下大多數火車的車輪樣式,你就會發現它們都是圓錐形的,車輪一邊的邊緣比另一邊寬一些。車輪上還有一個唇邊,或者稱為「凸緣」,通常在車輪的兩個邊緣都有。但是如果你近距離觀察的話就會發現,每個車輪中間的金屬部分都非常光亮、並且磨損得很厲害,而車輪凸緣的部分通常都很髒,也就是說沒怎麼受到磨損。火車可以在軌道上奔馳而不會脫離軌道,其實與車輪凸緣的部分並沒有多大關係,這是因為火車車輪是圓錐形的。
為了幫助你理解為什麼這樣的車輪可以使火車停留在軌道上,你可以把錐形圓筒想像成很多不同大小的圓,一邊是比較小的圓,而另一邊是比較大的圓。由於所有這些不同大小的圓都是同一個錐形圓筒的一部分,所以它們轉動一圈用的時間都是一樣的。但是,由於它們的大小不同,因此大一些的圓就比另一邊小一些的圓滾動的距離更長。
如果一對車輪開始沿軌道滾動,或者軌道在轉彎的部分發生彎曲,那就會使車輪接觸軌道的部分發生改變。如果一個車輪滑進軌道內部,它較窄的一邊就會在軌道上滾動,這就意味著車輪在用小圓的部分滾動。兩個車輪是連接在一起的,所以它們會用相同的速率轉動,因此,大輪子會比小輪子運動得更遠。這樣就會使火車回到軌道的中央行駛。
圓錐體的火車輪不容易脫軌
車輪凸緣的作用僅僅是為火車在轉彎或高速行駛過程中與軌道接觸時增加安全性。如果火車要依靠車輪的凸緣停留在軌道上,那麼長時間的摩擦不但會浪費能量,也會產生振動從而最終發生搖擺、破裂,以致將火車搖成碎片。
活動應用
火車在軌道上運行時產生的搖擺被稱為「運動振蕩」,通常人們把它叫做「擺動」,這是由於錐形車輪引起的。
當一列火車緩慢移動時,車輪與軌道之間的摩擦會使火車保持直線運動。但是當火車的運行速度加快時,軌道上微小的凹凸不平與彎曲會使火車發生輕微的左右移動。這時錐形的車輪就會防止火車脫離軌道,但是如果火車的運行速度非常快,軌道在經過每個車輪的斜面時,火車就會發生輕微的前後蛇行。這種情況限制了很多類型火車的行駛速度。
如今,更先進的懸浮技術和特殊反饋機制被用於控制車輪的運動,這將幫助減低碰撞和旋轉的機率,使火車達到前所未有的運行速度。