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Dec 09, 2023

Eisenbahnradwissenschaft

Ein geometrisches Wissenschaftsprojekt von Science Buddies Key Concepts

Ein geometrisches Wissenschaftsprojekt von Science Buddies

Schlüssel KonzeptePhysikIngenieurwesenGeometrieZentrifugalkraft

Einführung Haben Sie schon einmal einen Zug vorbeirollen sehen? Wenn ja, haben Sie sich vielleicht gefragt, wie der Zug auf seinen Gleisen bleiben kann. Das Geheimnis liegt in den Rädern des Zuges. Obwohl sie auf den ersten Blick zylindrisch wirken, fällt bei genauerem Hinsehen auf, dass sie eine leicht halbkonische Form haben. (Natürlich nie in die Nähe eines fahrenden Zuges kommen!) Diese besondere Geometrie sorgt dafür, dass die Züge auf den Gleisen bleiben. In dieser Aktivität testen Sie verschiedene Radformen, um herauszufinden, warum das konische Rad anderen Designs überlegen ist.

Hintergrund Die Räder auf jeder Seite eines Eisenbahnwaggons sind mit einer Metallstange, einer sogenannten Achse, verbunden. Diese Achse sorgt dafür, dass sich die beiden Räder des Zuges gemeinsam bewegen, sodass sich beide mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, wenn der Zug fährt.

Diese Konstruktion eignet sich hervorragend für gerade Gleise. Wenn ein Zug jedoch durch eine Kurve fahren muss, kann die Tatsache, dass sich beide Räder immer mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, zum Problem werden. Die Außenseite einer Kurve ist etwas länger als die Innenseite, sodass das Rad auf der Außenschiene tatsächlich mehr Strecke zurücklegen muss als das Rad auf der Innenschiene. Sie können dies demonstrieren, indem Sie auf einem Blatt Papier ein Bahngleis – bestehend aus zwei Schienen – mit einer Kurve zeichnen. Nehmen Sie ein Maßband (oder eine Schnur und ein Lineal) und messen Sie die Länge jeder Linie. Die Außenlinie der Strecke sollte länger sein als die Innenlinie. Aber wie kann ein Rad eine größere Strecke zurücklegen als das andere, wenn sich beide mit der gleichen Geschwindigkeit drehen?

Hier kommt die Geometrie der Räder ins Spiel. Damit die Räder besser in der Spur bleiben, ist ihre Form meist leicht konisch. Das bedeutet, dass die Innenseite des Rades einen größeren Umfang hat als die Außenseite des Rades. (Sie haben auch einen Flansch oder eine erhöhte Kante an der Innenseite, um zu verhindern, dass der Zug von den Gleisen fällt.) Wenn sich ein Zug mit schrägen Rädern dreht, drückt die Zentrifugalkraft das äußere Rad zum größeren Teil des Kegels und drückt das Innenrad zum kleineren Teil des Kegels. Das hat zur Folge, dass ein Zug beim Wenden vorübergehend auf Rädern läuft, die praktisch zwei verschiedene Größen haben. Wenn der Umfang des Außenrads größer wird, kann es eine größere Strecke zurücklegen, obwohl es sich mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie das kleinere Innenrad. Der Zug bleibt erfolgreich auf den Gleisen! In dieser Aktivität testen Sie selbst, wie sich die Form der Eisenbahnräder auf ihre Fähigkeit auswirkt, in der Spur zu bleiben.

Materialien

Vorbereitung

Verfahren

Beobachtungen und Ergebnisse Die verschiedenen Cup-Setups repräsentieren unterschiedliche Möglichkeiten der Räderwerksform. Beide Becheranordnungen stellen einen Satz geneigter Eisenbahnräder dar, die Richtung, in der die Räder geneigt sind, war jedoch genau umgekehrt. Während beim ersten Aufbau die Außenseite des Rades den größeren Durchmesser aufwies, war es beim zweiten Cup-Aufbau umgekehrt. Wie Sie wahrscheinlich bemerkt haben, macht das Raddesign einen großen Unterschied darin, wie sich die Räder auf der Rennstrecke verhalten.

Es dürfte schwierig gewesen sein, die erste Bechermontage auf der Strecke zu halten. Es hätte fast jedes Mal entgleisen sollen, bevor es das Ende der Strecke erreichte. Ganz gleich, wie Sie die Becher platziert haben, sie fielen wahrscheinlich meistens von der Schiene. Diese Baugruppe bleibt nur dann auf der Schiene, wenn sie perfekt zentriert ist. Aber das ist fast unmöglich zu erreichen. Sobald der Aufbau leicht außermittig ist, entgleist er auf dem Weg den Hang hinunter. Wenn Sie die Anordnung nach links verschoben haben, hatte der Teil des Bechers, der auf der linken Schiene sitzt, einen kleineren Umfang als der Teil des Bechers, der auf der rechten Schiene sitzt. Daher war das linke Rad des Zuges kleiner als das rechte Rad des Zuges. Infolgedessen drehte sich die gesamte Baugruppe wahrscheinlich noch weiter nach links – in Richtung des Rades mit kleinerem Umfang – und fiel schließlich von den Gleisen. Das Gegenteil wäre wahrscheinlich der Fall gewesen, wenn man die Baugruppe nach rechts verschoben hätte.

Das zweite Setup hätte jedoch auf der Strecke bleiben sollen – auch wenn Sie es außermittig verschoben haben. Wenn Sie diesen Aufbau nach links verschoben haben, wurde der Teil des Bechers, der auf der linken Schiene saß, größer als der Teil des Bechers, der auf der rechten Schiene saß. In diesem Fall war das linke Rad des Zuges größer als das rechte Rad des Zuges. Infolgedessen drehte sich die Baugruppe wahrscheinlich nach rechts und korrigierte ihre Position näher an der Gleismitte. Immer wenn dieses Rad-Setup außermittig wurde, korrigierte es automatisch seinen Kurs zur Mitte hin, was es zu einem sehr stabilen System macht.

Dasselbe Prinzip, das Sie an der Steigung beobachtet haben, trägt auch dazu bei, dass die Räder beim Abbiegen eines Zuges in der Spur bleiben. Da sich die Radgrößen ändern, wenn der Zug während einer Kurve seitwärts geschoben wird, kann das äußere Rad (das größer wird) eine größere Distanz zurücklegen als das innere Rad (das kleiner wird). Auf diese Weise kann das Außenrad bei gleicher Drehzahl eine größere Strecke zurücklegen.

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Diese Aktivität wurde in Zusammenarbeit mit Science Buddies für Sie durchgeführt

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Daniel Cusick und E&E News