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Jan 29, 2024

Science de la roue du train

Un projet de science géométrique de Science Buddies Key Concepts

Un projet de science géométrique de Science Buddies

Concepts clésPhysiqueIngénierieGéométrieForce centrifuge

Introduction Avez-vous déjà regardé un train passer ? Si oui, vous vous êtes peut-être demandé comment le train est capable de rester sur ses rails. Le secret réside dans les roues du train. Bien qu'ils semblent cylindriques à première vue, en y regardant de plus près, vous remarquerez qu'ils ont une forme légèrement semi-conique. (Bien sûr, ne vous approchez jamais d'un train en marche !) Cette géométrie spéciale est ce qui maintient les trains sur les rails. Dans cette activité, vous testerez différentes formes de roue pour découvrir pourquoi la roue conique est supérieure aux autres modèles.

Arrière-plan Les roues de chaque côté d'un wagon sont reliées par une tige métallique appelée essieu. Cet essieu maintient les deux roues du train en mouvement ensemble, les deux tournant à la même vitesse lorsque le train se déplace.

Cette construction est idéale pour les pistes droites. Mais lorsqu'un train doit prendre un virage, le fait que les deux roues tournent toujours à la même vitesse peut devenir un problème. L'extérieur d'une courbe est légèrement plus long que l'intérieur, de sorte que la roue sur le rail extérieur doit en fait couvrir plus de distance que la roue sur le rail intérieur. Vous pouvez le démontrer en dessinant une voie ferrée - composée des deux rails - avec un virage sur une feuille de papier. Prenez un ruban à mesurer (ou une ficelle et une règle) et mesurez la longueur de chaque ligne. La ligne extérieure de la piste doit être plus longue que la ligne intérieure. Mais comment une roue peut-elle couvrir plus de distance que l'autre si elles tournent toutes les deux à la même vitesse ?

C'est là qu'intervient la géométrie des roues. Pour aider les roues à rester sur la piste, leur forme est généralement légèrement conique. Cela signifie que l'intérieur de la roue a une circonférence plus grande que l'extérieur de la roue. (Ils ont également une bride, ou un bord surélevé, sur le côté intérieur pour empêcher le train de tomber des voies.) Lorsqu'un train avec des roues inclinées tourne, la force centrifuge pousse la roue extérieure vers la plus grande partie du cône et pousse la roue intérieure vers la plus petite partie du cône. Par conséquent, lorsqu'un train tourne, il roule momentanément sur des roues de deux tailles différentes. Lorsque la circonférence de la roue extérieure devient plus grande, elle est capable de parcourir une plus grande distance même si elle tourne au même rythme que la plus petite roue intérieure. Le train reste sur les rails avec succès ! Dans cette activité, vous testerez par vous-même l'impact de la forme des roues de train sur leur capacité à rester sur la bonne voie.

Matériaux

Préparation

Procédure

Observations et résultats Les différentes configurations de tasse représentent différentes possibilités de forme de roue de train. Les deux configurations de tasse représentent un ensemble de roues de train inclinées, mais la direction dans laquelle les roues sont inclinées était exactement l'opposé. Alors que dans la première configuration, le côté extérieur de la roue avait le plus grand diamètre, c'était l'inverse dans la deuxième configuration de cuvette. La conception des roues fait une énorme différence dans la façon dont les roues se comportent sur une piste, comme vous l'avez probablement observé.

Il était probablement difficile de maintenir le premier assemblage de coupelles sur la piste. Il aurait dû dérailler presque à chaque fois avant d'atteindre la fin de la voie. Peu importe comment vous avez placé les tasses, elles sont probablement généralement tombées hors de la piste. Cet ensemble ne reste sur la piste que s'il est parfaitement centré. Mais c'est presque impossible à réaliser. Dès que la configuration est légèrement décentrée, elle déraille en descendant la pente. Lorsque vous avez décentré l'assemblage vers la gauche, la partie de la tasse qui repose sur le rail gauche avait une circonférence plus petite que la partie de la tasse qui repose sur le rail droit. Ainsi la roue gauche du train était plus petite que la roue droite du train. En conséquence, l'ensemble de l'assemblage a probablement tourné encore plus vers la gauche - dans la direction de la plus petite roue de circonférence et a fini par tomber des rails. L'inverse était probablement le cas si vous excentriez l'assemblage vers la droite.

La deuxième configuration, cependant, aurait dû rester sur la piste, même si vous l'avez décentrée. Lorsque vous avez décentré cette configuration vers la gauche, la partie de la tasse qui reposait sur le rail gauche est devenue plus grande que la partie de la tasse qui reposait sur le rail droit. Dans ce cas, la roue gauche du train était plus grande que la roue droite du train. En conséquence, l'ensemble a probablement tourné à droite et corrigé sa position plus près du centre de la voie. Chaque fois que cette configuration de roue devenait décentrée, elle corrigeait automatiquement sa trajectoire vers le centre, ce qui en fait un système très stable.

Ce même principe que vous avez observé sur la pente aide également les roues à rester sur la bonne voie lorsqu'un train tourne. Au fur et à mesure que la taille des roues change lorsque le train est poussé latéralement pendant un virage, la roue extérieure (qui devient plus grande) est capable de se déplacer sur une plus grande distance que la roue intérieure (qui devient plus petite). De cette façon, la roue extérieure peut couvrir plus de distance tout en tournant à la même vitesse.

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Cette activité vous est proposée en partenariat avec Science Buddies

Meghan Bartels

Saima May Sidik

Meghan Bartels

Kate Wang

Daniel Cusick et E&E News

Brianne Kane