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Jan 29, 2024

Ciencia de la rueda del tren

Un proyecto de ciencia geométrica de Science Buddies Key Concepts

Un proyecto de ciencia geométrica de Science Buddies

Conceptos claveFísicaIngenieríaGeometríaFuerza centrífuga

Introducción ¿Alguna vez has visto pasar un tren? Si es así, es posible que se haya preguntado cómo es posible que el tren se mantenga en sus vías. El secreto está en las ruedas del tren. Aunque a primera vista parezcan cilíndricos, al mirar más de cerca notarás que tienen una forma ligeramente semicónica. (Por supuesto, ¡nunca te acerques a un tren en funcionamiento!) Esta geometría especial es lo que mantiene a los trenes en las vías. En esta actividad, pondrá a prueba diferentes formas de rueda para descubrir por qué la rueda cónica es superior a otros diseños.

Fondo Las ruedas a cada lado de un vagón de tren están conectadas con una barra de metal llamada eje. Este eje mantiene las dos ruedas del tren moviéndose juntas, ambas girando a la misma velocidad cuando el tren está en movimiento.

Esta construcción es ideal para pistas rectas. Pero cuando un tren necesita tomar una curva, el hecho de que ambas ruedas estén siempre girando al mismo ritmo puede convertirse en un problema. El exterior de una curva es un poco más largo que el interior, por lo que la rueda del riel exterior en realidad necesita cubrir más distancia que la rueda del riel interior. Puede demostrar esto dibujando una vía de tren, que consta de dos rieles, con un giro en una hoja de papel. Tome una cinta métrica (o una cuerda y una regla) y mida la longitud de cada línea. La línea exterior de la pista debe ser más larga que la línea interior. Pero, ¿cómo puede una rueda cubrir más distancia que la otra si ambas giran a la misma velocidad?

Aquí es donde entra en juego la geometría de las ruedas. Para ayudar a que las ruedas permanezcan en la pista, su forma suele ser ligeramente cónica. Esto significa que el interior de la rueda tiene una circunferencia mayor que el exterior de la rueda. (También tienen una pestaña, o borde elevado, en el lado interior para evitar que el tren se caiga de las vías). Cuando gira un tren con ruedas inclinadas, la fuerza centrífuga empuja la rueda exterior hacia la parte más grande del cono y empuja la rueda. rueda interior a la parte más pequeña del cono. Como resultado, cuando un tren gira, momentáneamente corre sobre ruedas que son efectivamente de dos tamaños diferentes. A medida que la circunferencia de la rueda exterior se hace más grande, puede recorrer una mayor distancia aunque gire al mismo ritmo que la rueda interior más pequeña. ¡El tren se mantiene con éxito en las vías! En esta actividad, probará por sí mismo cómo las formas de las ruedas de los trenes afectan su capacidad para mantenerse en el camino.

Materiales

Preparación

Procedimiento

Observaciones y Resultados Las diferentes configuraciones de copa representan diferentes posibilidades de forma de rueda de tren. Ambas configuraciones de copa representan un conjunto de ruedas de tren inclinadas, pero la dirección en la que las ruedas están inclinadas era exactamente la opuesta. Mientras que en la primera configuración el lado exterior de la rueda tenía el diámetro más grande, en la segunda configuración de la copa era al revés. El diseño de las ruedas marca una gran diferencia en el comportamiento de las ruedas en una pista, como probablemente hayas observado.

Probablemente fue difícil mantener el primer conjunto de copa en la pista. Debería haberse descarrilado casi todas las veces antes de llegar al final de la vía. No importa cómo hayas colocado los vasos, es probable que por lo general se caigan de la pista. Este conjunto solo se mantiene en la pista si está perfectamente centrado. Pero esto es casi imposible de lograr. Tan pronto como la configuración esté ligeramente descentrada, se descarrilará en su camino cuesta abajo. Cuando descentró el ensamblaje hacia la izquierda, la parte de la taza que se encuentra en el riel izquierdo tenía una circunferencia más pequeña que la parte de la taza que se encuentra en el riel derecho. Así, la rueda izquierda del tren era más pequeña que la rueda derecha del tren. Como resultado, todo el conjunto probablemente giró aún más a la izquierda, en la dirección de la rueda de menor circunferencia y finalmente se salió de las vías. Probablemente sucedía lo contrario si descentraba el ensamblaje hacia la derecha.

Sin embargo, la segunda configuración debería haberse mantenido en la pista, incluso si la descentraste. Cuando descentraste esta configuración a la izquierda, la parte del vaso que estaba en el riel izquierdo se volvió más grande que la parte del vaso que estaba en el riel derecho. En este caso, la rueda izquierda del tren era más grande que la rueda derecha del tren. Como resultado, el conjunto probablemente giró a la derecha y corrigió su posición más cerca del centro de la vía. Cada vez que esta configuración de rueda se descentró, corrigió automáticamente su curso hacia el centro, lo que lo convierte en un sistema muy estable.

Este mismo principio que observaste en la pendiente también ayuda a que las ruedas permanezcan en su carril cuando un tren gira. Como los tamaños de las ruedas cambian cuando el tren es empujado hacia los lados durante un giro, la rueda exterior (que se vuelve más grande) puede moverse una distancia mayor que la rueda interior (que se vuelve más pequeña). De esta manera, la rueda exterior puede cubrir más distancia mientras gira al mismo ritmo.

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Esta actividad presentada en asociación con Science Buddies

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