科學遊戲--不會出軌的輪子

文與圖/許良榮 |2013.05.08
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圖二圖/許良榮
圖一圖/許良榮
原理圖 圖/許良榮

我們都知道,汽車行駛道路,火車行駛鐵軌,轉彎時,汽車用方向盤控制輪子轉向,而火車沒有方向盤,主要靠鐵軌導引來轉彎,如果控制不好或有物品擋道,就可能發生出軌翻覆的事故。這次要玩的科學遊戲與軌道有關,許叔叔要告訴你,怎麼做可以不需要控制,輪子就會自己轉彎,不會出軌喔!

所需器材:橡皮塞、牙籤、電線,熱熔膠。

過程現象:

前面說過,火車要靠鐵軌導引來轉彎,所以輪子的設計就很重要。不知小朋友有沒有仔細觀察過火車的輪子?它看起來好像是平的,但實際上不是平的喔!為什麼呢?這就是這次遊戲的主題啦!我們來實驗一下不同形狀的輪子,在轉彎時有何差別。

圖一的甲、乙、丙都以橡皮塞當輪子。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內當車軸,乙是中央小、邊緣大的輪子,丙則是中央大、邊緣小的輪子。鐵軌部分以高壓電電線製作(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,稍微墊高木板,讓它成為斜坡,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!小朋友一定很想知道為什麼吧?就讓我們繼續看下去!

原理:

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」會維持原來運動方向而出軌;至於「乙」輪子到了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」輪子則會右傾,而重力(即重量,紅色箭頭)是朝下,使得已經傾斜的乙、丙輪子,都有一個f1的分力(藍色箭頭),乙輪子的f1分力朝左,會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,會使丙輪子往右偏移,剛好可以幫助輪子回到軌道中央,因此丙輪子就比較不容易出軌囉!

叮嚀的話:

1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。

2軌道可嘗試做成S形,以增加趣味性(但是軌道長度必須增加)。

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