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Dec 09, 2023

Ciência da Roda de Trem

Um projeto de ciência geométrica da Science Buddies Key Concepts

Um projeto de ciência geométrica da Science Buddies

Conceitos chaveFísicaEngenhariaGeometriaForça centrífuga

Introdução Você já viu um trem passar? Se sim, você deve ter se perguntado como o trem consegue se manter nos trilhos. O segredo está nas rodas do trem. Embora pareçam cilíndricos à primeira vista, ao olhar mais de perto você notará que eles têm uma forma ligeiramente semi-cônica. (Claro, nunca se aproxime de um trem em funcionamento!) Essa geometria especial é o que mantém os trens nos trilhos. Nesta atividade, você testará diferentes formas de roda para descobrir por que a roda cônica é superior a outros designs.

Fundo As rodas de cada lado de um vagão de trem são conectadas por uma haste de metal chamada eixo. Este eixo mantém as duas rodas do trem em movimento juntas, ambas girando na mesma velocidade quando o trem está em movimento.

Esta construção é ótima para pistas retas. Mas quando um trem precisa fazer uma curva, o fato de ambas as rodas estarem sempre girando na mesma velocidade pode se tornar um problema. A parte externa de uma curva é ligeiramente mais longa que a interna, então a roda no trilho externo precisa cobrir uma distância maior do que a roda no trilho interno. Você pode demonstrar isso desenhando um trilho de trem - consistindo de dois trilhos - com uma curva em um pedaço de papel. Pegue uma fita métrica (ou barbante e régua) e meça o comprimento de cada linha. A linha externa da pista deve ser mais longa que a linha interna. Mas como uma roda pode cobrir uma distância maior que a outra se ambas estão girando na mesma velocidade?

É aqui que entra a geometria das rodas. Para ajudar as rodas a permanecerem na pista, seu formato é geralmente ligeiramente cônico. Isso significa que o interior da roda tem uma circunferência maior do que a parte externa da roda. (Eles também têm um flange, ou borda elevada, no lado interno para evitar que o trem caia dos trilhos.) Quando um trem com rodas inclinadas faz uma curva, a força centrífuga empurra a roda externa para a parte maior do cone e empurra a dentro da roda para a parte menor do cone. Como resultado, quando um trem está girando, ele está momentaneamente rodando sobre rodas que são efetivamente de dois tamanhos diferentes. À medida que a circunferência da roda externa aumenta, ela é capaz de percorrer uma distância maior, embora gire na mesma velocidade que a roda interna menor. O trem permanece nos trilhos com sucesso! Nesta atividade, você testará por si mesmo como as formas da roda do trem afetam sua capacidade de permanecer na pista.

Materiais

Preparação

Procedimento

Observações e Resultados As diferentes configurações de copos representam diferentes possibilidades de formato de roda de trem. Ambas as configurações do copo representam um conjunto de rodas de trem inclinadas, mas a direção em que as rodas são inclinadas é exatamente oposta. Enquanto na primeira configuração o lado externo da roda tinha o diâmetro maior, na segunda configuração do copo ocorreu o inverso. O design da roda faz uma enorme diferença em como as rodas se comportam em uma pista, como você provavelmente observou.

Provavelmente foi difícil manter a primeira montagem do copo na pista. Deveria ter descarrilado quase todas as vezes antes de chegar ao final da pista. Não importa como você colocou os copos, eles provavelmente caíram da pista. Este conjunto só fica na pista se estiver perfeitamente centrado. Mas isso é quase impossível de realizar. Assim que a configuração estiver ligeiramente fora do centro, ela descarrilará na descida da encosta. Quando você descentralizou a montagem para a esquerda, a parte do copo que está no trilho esquerdo tinha uma circunferência menor do que a parte do copo que está no trilho direito. Assim, a roda esquerda do trem era menor que a roda direita do trem. Como resultado, todo o conjunto provavelmente virou ainda mais para a esquerda - na direção da roda de circunferência menor e acabou saindo dos trilhos. O oposto foi provavelmente o caso se você descentralizou a montagem para a direita.