Physics 4 you Oberstufenaufgabe
Train on Track
In einem Interview mit Richard Feynman, einem der bedeutensten Physiker des 20. Jahrhunderts, erzählte dieser vom Beginn seines Physikstudiums am „Massachusetts Institute of Technology (MIT)“.
Damals wurden die Studierenden mit kleinen physikalischen Rätseln und Fragestellungen begrüßt.
Eine Frage, an die er sich erinnerte war:
„What keeps a train on the track?“
Weißt Du es? Die Antwort ist tatsächlich gar nicht so offensichtlich, wie man denkt.
Train on Track
Welche der oben abgebildeten Radformen erlauben es einem Zug auf der Strecke zu bleiben?
(Mehrere Antworten sind richtig. Entscheide dich für eine von ihnen.)
- 1
- 2
- 3
- 4
Lösung:
Richtig sind die Antworten (b) und (c).
Wären die Räder eines Zuges anders gebaut, zum Beispiel gemäß der Zeichnungen von (a) und (d), würde der Zug spätestens beim Durchfahren der ersten Kurve entgleisen.
Betrachten wir das Rad eines Zuges genauer, so sehen wir, dass die Räder die Form eines Kegelstumpfes haben.
Die Kegelform ist entscheidend bei der Durchfahrt von Kurven. Das grundsätzliche Problem hierbei ist die Tatsache, dass Räder, die sich an der Außenseite der Kurve befinden einen längeren Weg zurücklegen müssen als die Räder an der Innenseite.
Autos haben zur Kompensation ein Differential, welches den Rädern erlaubt sich unterschiedlich schnell zu drehen. So können die Autos stabil Kurven durchfahren.
Ein Zug hat derartige Mechanismen nicht. Dadurch, dass die Räder kegelförmig sind, begibt sich der Zug von selbst in einen stabilen Zustand.
Beim Durchfahren einer Kurve werden die Räder durch die wirkende Zentripetalkraft nach außen gedrückt.
Durch die Kegelform liegt das Rad an der äußeren Schiene nun mit einem größeren Durchmesser auf, als das Rad an der inneren Schiene.
Dadurch kann der Zug durch die Kurve fahren ohne zu entgleisen.
Begibt er sich nun auf eine Gerade, wirkt durch die Schräglage der Räder und der damit verbundenen unterscheidlichen Raddurchmesser auf beiden Schienen, eine Kraft zur Mitte des Gleises hin.
