איך זה עובד: רכבת
לא, זה לא עוד טור עם תלונות על הרכבת אלא תשובה לשאלה הגדולה: איך הקרונות נשארים על הפסים? חלק ראשון בפרויקט הווריאטור שבסופו נגלה איך עובד קטנוע
בשבוע שעבר ביקש ממני מישהו לדבר על וריאטור. מכיוון שמעולם לא התעמקתי במערכות התמסורת של קטנועים (הסתבר שזה התחום הרלוונטי) לא ידעתי מה זה בכלל וריאטור – ואחרי שלמדתי את הנושא, הבנתי שאין אפשרות לעשות צדק למנגנון המופלא הזה במסגרת המוגבלת של טור יחיד. לכן, השבוע נדבר על מספר מנגנונים וטכניקות פשוטים יותר, שייתנו את הבסיס להבנת הווריאטור, ואותו עצמו נתאר בפעם הבאה.
עוד ב-ynet מדע:
- איך זה עובד: עכבר מחשב
1. הכוח הצנטריפוגלי
העיקרון הראשון שנצטרך כדי להבין את הווריאטור הוא הכוח הצנטריפוגלי – אם להיות פשטניים להחריד, אותו אפקט פיזיקלי שגורם לדברים שמסתובבים במעגל לרצות להתרחק ממרכז המעגל הזה. בעבר הזכרתי כאן את הכוח הצנטריפוגלי, כשדיברתי על מנגנון ויסות המהירות של חוגת הטלפונים העתיקים, אך הוא משמש בהמון מכשירים מודרניים. קחו לדוגמה את הסביבונים המאירים הפשוטים, שנמכרים כמו פיצוחים לקראת חנוכה. איך הם יודעים להאיר כשמסובבים אותם? בחלק הפנימי יש פס מתכת דק וגמיש, או קפיץ חופשי, שבזמן מנוחה נמצאים באוויר ואינם נוגעים בשולי הסביבון. בזמן הסיבוב, הכוח הצנטריפוגלי "דוחף" אותם כלפי חוץ עד שהם נוגעים בפס אחר שנמצא על ההיקף, וכך נסגר מעגל חשמלי שגורם לנורית ה-LED הפנימית להאיר.
גם המנגנון המסתורי של חגורות הבטיחות לרכב פועל בצורה דומה. הוא כולל גלגל שמסתובב בתוך מסגרת עגולה משוננת, ואל הגלגל הזה מחוברת בקפיץ שן ארוכה. כל עוד החגורה במנוחה, או שמושכים אותה באיטיות, הקפיץ מצמיד את השן לגלגל הפנימי כך שהוא יכול להסתובב בחופשיות. לעומת זאת, כאשר המשיכה מהירה, הכוח הצנטריפוגלי מתגבר על המשיכה של הקפיץ והשן "נזרקת" החוצה עד שהיא נתפסת בשיניים של המסגרת ובולמת את התנועה. המבנה של השיניים האלה אחראי לכך שכדי לשחרר את החגורה חייבים לתת לה לחזור מעט לאחור. יש גם בלמי חירום של מעלית שפועלים באותו אופן, ותוקעים שן שכזו כמעצור בפס שיניים צדדי כאשר המעלית נעה במהירות מוגזמת.
2. יחס העברה
הרעיון של יחס העברה בסיסי ומוכר, אך אזכיר אותו ליתר ביטחון: אם יש מקור כוח מסוים – מנוע, בדרך כלל – שהציר שלו מחובר ישירות לגלגל מניע, והגלגל המניע מסובב גלגל אחר באמצעות רצועה או שיניים, היחס בין מהירות הסיבוב של הגלגל המניע ושל המונע הוא בעצם היחס בין ההיקפים של הגלגלים. אם לשני הגלגלים היקף זהה, הגלגל המונע יסתובב באותה מהירות כמו המניע (יחס 1:1). לעומת זאת, אם היקף המניע גדול פי שניים מהיקף המונע, אז כל סיבוב יחיד של הגלגל המניע יתורגם לשני סיבובים של המונע (2:1).
כשמעבירים הילוכים באופניים, זה בדיוק מה שקורה: השרשרת מועברת בין גלגלי שיניים מניעים ומונעים שונים, ויחס ההעברה בין הדוושות לבין האופן האחורי משתנה. בהילוך גבוה, כל סיבוב שלם של הדוושות הופך לסיבוב שלם (או יותר) של האופן, ואפשר לשמור על מהירות גבוהה ללא מאמץ. לעומת זאת, כדי להגיע מעמידה במקום למהירות הזאת, או לעלות בעלייה חדה, צריך הילוך נמוך עם יחס העברה שייתן יותר כוח על חשבון המהירות.
3. גלגלי הרכבת
מה גורם לרכבת להישאר על הפסים? כשהקטר מגיע לעיקול במסילה, מה גורם לו להישאר עליה (בשאיפה) במקום להמשיך בקו ישר, כמו מכונית שהנהג שלה לא שם לב לעיקול בכביש? את גלגלי הרכבת אי אפשר לכוון ימינה או שמאלה, והצירים קשיחים במובן זה שהגלגל השמאלי והימני בכל זוג חייבים להסתובב באותה מהירות בדיוק, כך שניהוג רגיל אינו בא בחשבון.
רובכם בוודאי זוכרים שבצד הפנימי של גלגלי רכבת יש דיסקית דקה יחסית, בעלת קוטר גדול יותר משאר הגלגל, שמונעת "בריחה" מהמסילה – אך זהו אמצעי חירום בלבד: אם הדיסקית היתה נוגעת בפועל במסילה בכל פניה ועיקול, החיכוך היה עוצר את הרכבת ו/או מעקם את הגלגלים, שלא לדבר על הרעש.
מי שעדיין לא מכיר את התשובה מוזמן לעצור כאן בינתיים ולחשוב על זה. חסרי הסבלנות יכולים לצפות בהסבר המרתק של ריצ'רד פיינמן ז"ל, או להמשיך לפסקה הבאה.
סוד ההישארות על הפסים טמון בצורה של הגלגלים. הם אינם גלילים שטוחים כמו המשקולות על המוט שמרימים עכשיו באולימפיאדה, אלא בנויים קצת כמו חרוטים: בעלי קוטר גדול (בחלק הקרוב לציר האורך של הקטר/קרון) שהולך וקטן כלפי חוץ. כאשר הרכבת סוטה קצת ימינה ביחס למסילה, בין אם בגלל עיקול במסילה או מסיבה אחרת, הגלגל הימני נדחק אל המסילה, והקוטר בנקודת המגע שלו איתה גדול. הגלגל השמאלי, לעומת זאת, "מתרחק" מעט פנימה ונוגע במסילה באזור עם קוטר קטן יותר. שני הגלגלים מסתובבים כאמור באותה מהירות, ומכיוון שהקוטר שונה, הגלגל הימני עובר דרך גדולה יותר מהשמאלי בכל יחידת זמן, והרכבת מסתובבת למעשה מעט שמאלה.
הקוטר המשתנה של החרוט הוא גם זה שאחראי לאשליה האופטית המפורסמת, של גוף שעולה כביכול על מסילות בסתירה לכוח המשיכה, כפי שרואים בסרטון הזה.
עוד נקודה חשובה, לקראת ההסבר על הווריאטור, היא שחרוט יכול למעשה לתת לנו יחס העברה רציף. אם נצליח להלביש רצועה על "חרוט מניע" ולגרום לה לעלות ולרדת על ציר הגובה שלו כרצוננו, נוכל לסובב בעזרתה גלגל מונע כמעט בכל יחס העברה שנרצה, ולא נהיה מוגבלים ליחסי העברה ספורים וקבועים מראש.
איך כל זה מתחבר ביחד כדי להניע את הקטנוע המצוי? על כך בשבוע הבא.
