அடடே அறிவியல்: ரயிலின் சக்கர சாகசம்!

ஊருக்கு ரயில் அல்லது பேருந்தில் போயிருப்பீர்கள். பேருந்துகளில் செல்லும்போது ஓட்டுநர் திசைத்திருப்பியை (Steering) பயன்படுத்தி வளைவுகளில் வண்டியைத் திருப்புவார். ஆனால், ரயிலை வளைவுகளில் திருப்பத் திசைத்திருப்பி கிடையாது. ஆனாலும், ரயில் வளைவுப் பாதையில் சரியாக எப்படித் திரும்புகிறது? ரயில் தண்டவாளத்தில் கீழே விழாமல் எப்படிப் போகிறது? இதைத் தெரிந்துகொள்ள ஒரு சோதனையைச் செய்வோமா?

தேவையான பொருள்கள்:

பேப்பர் கப், நீளமான மரப்பட்டை, நெகிழ்வான பிளாஸ்டிக் குழாய், பசை டேப்.

சோதனை:

1. சுமார் ஒரு மீட்டர் நீளமுள்ள இரண்டு மரப்பட்டைகளை அருகருகே இணையாக வைத்துக்கொள்ளுங்கள்.

2. இரண்டு பேப்பர் கப்புகளின் அகன்ற பகுதிகள் ஒன்றாக இருக்குமாறு சேர்த்து வைத்துப் பசை டேப்பால் ஒட்டுங்கள்.

3. ஒட்டப்பட்ட பேப்பர் கப்புகளை மரப்பட்டைகள் மேலே வைத்து லேசாகத் தள்ளிவிடுங்கள். நடப்பதைக் கவனியுங்கள். பேப்பர் கப்புகள் மரப்பட்டையை விட்டுக் கீழே விழாமல் தொடர்ந்து செல்வதைப் பார்க்கலாம்.

நடப்பது என்ன?

ஒரு பேப்பர் கப்பில் அடிப்பகுதி குறுகலாகவும் மேற்பகுதி அகலமாகவும் இருக்கும். பேப்பர் கப்பின் வெளிப்புறம் மேற்பகுதியிலிருந்து அடிப்பகுதிவரை சாய்வாக இருக்கும். பேப்பர் கப்பைத் தரையின் மீது உருட்டிவிட்டால் அது வட்டப்பாதையில் உருண்டு செல்லும். அதிக விட்டம் கொண்ட மேற்பகுதி ஒரு சுற்றில் அதிகத் தொலைவையும் குறைந்த விட்டம் கொண்ட அடிப்பகுதி குறைந்த தொலைவையும் கடந்து செல்லும்.

வளைவுப் பாதையில் கப்பின் மேற்பகுதியின் நேர்கோட்டு வேகம், கீழ்ப்பகுதியின் நேர்கோட்டு வேகத்தைவிட அதிகமாக இருக்கும். இரண்டு கப்புகளின் அகன்ற பகுதிகளை ஒன்றாக வைத்து ஒட்டி, மரப்பட்டைப் பாதையில் வைத்து உருட்டி விட்டால் அது கீழே விழாமல் நேராகச் செல்லும். மரப்பட்டைப் பாதையின் மையத்தை விட்டுக் கப்புகள் விலகினாலும் திரும்பவும் மையத்துக்கே வந்து நேராகச் செல்லும்.

கப்புகள் மையத்தை விட்டு இடப்புறம் விலகிச் செல்வதாகக் கொள்வோம். அதாவது இடது குவளையின் அகன்ற பகுதி இடது மரப்பட்டையிலும், வலது மரப்பட்டையின் வலப்புறக் குவளையின் குறுகிய பகுதியும் உருண்டு செல்வதால்தான் கப்புகள் வலது புறமாகத் திரும்பிக் கீழே விழாமல் பட்டைகளின் மேல் உருண்டு நேராகச் செல்கிறது. இதேபோன்று கப்புகள் மரப்பட்டை பாதையின் மையத்தை விட்டு வலது பக்கம் சென்றால் வலப்புறக் குவளையின் அகன்ற பகுதி வலது மரப்பட்டையிலும், இடப்புறக் குவளையின் குறுகிய பகுதி இடப்புறப் பட்டையின் மீதும் செல்வதால் கப்புகள் மையத்தை நோக்கி இடப்புறமாகச் செல்லும். பேப்பர் கப்பின் சாய்வான அமைப்பும் குறுகலான, அகன்ற பகுதிகளின் நேர்கோட்டு வேக மாறுபாடும் இரட்டை கப்புகளை மரப்படையின் மீது விழாமல் பயணிக்கச் செய்கிறது.

பயன்பாடு

ரயிலை வளைவுப் பாதையில் ஓட்டுநர்தான் திருப்புகிறார் என்று பலரும் நினைக்கக்கூடும். அது உண்மை இல்லை. ரயில் சக்கரங்கள் சம ஆரம் (Radius) கொண்ட உருளையாக இல்லாமல் உட்புறத்திலிருந்து வெளிப்புறம் நோக்கிச் சாய்வான (Tapered) வடிவம் கொண்டவை. சக்கரங்களின் உட்புறத்தில் சக்கரங்களின் ஆரத்தைவிட அதிக ஆரம் கொண்ட விளிம்புகள் (Flanges) இருக்கும்.

இரும்பால் செய்யப்பட்ட சாய்வான இரண்டு உருளைகளும் மையத்தில் பலமான நீண்ட இரும்பு உருளையுடன் இணைக்கப்பட்டிருக்கும். நீளமான மைய உருளையும் தண்டவாளத்தின் மேல் ஓடும் இரண்டு பெரிய உருளைகளும் ஒட்டுமொத்தமாக ஒரே அமைப்பாகத் தண்டவாளத்தில் உருண்டு ஓடும். ரயில் சக்கரங்களின் இந்தச் சிறப்பு அமைப்பே தண்டவாளத்தின் மீது நேரான பாதையிலும் தானே திரும்பிச் செல்வதற்கு உதவுகிறது.

சோதனையில் பார்த்த இரட்டை கப்புகளை ரயிலின் சக்கரமாகவும், இணையான இரண்டு மரப்பட்டைப் பாதையைத் தண்டவாளங்களாகவும் கற்பனை செய்துகொள்ளுங்களேன்.

ரயில் நேரான பாதையில் செல்லும்போது சக்கரங்களின் மையம் தண்டவாளங்களைத் தொட்டுக்கொண்டிருக்கும். இப்போது இரண்டு சக்கரங்களும் தண்டவாளங்களைத் தொட்டுக்கொண்டு செல்லும் வட்டப்பகுதிகளின் ஆரங்கள் சமமாக இருக்கும்.

கப்புகளின் வலது பக்கமாகத் திரும்பும் வளைவுப்பாதையில் இடதுபுற கப்பின் அகன்ற பகுதி இடது மரப்பட்டையிலும், வலதுபுறக் குவளையின் குறுகிய பகுதி வலது மரப்பட்டையிலும் உருண்டு சென்றது அல்லவா? அதைப் போலத்தான் ரயிலின் இடது சக்கரத்தின் அகன்ற பகுதி இடது தண்டவாளத்திலும், வலது சக்கரத்தின் குறுகிய பகுதி வலது தண்டவாளத்திலும் உருண்டு, வண்டி கீழே விழாமல் செல்லும்.

வண்டி இடது பக்கம் திரும்பும்போது வலது தண்டவாளத்தில் இடது சக்கரத்தால் குறுகிய பகுதியும் உருண்டு, இடப்பக்க வளைவில் கீழே விழாமல் வண்டி செல்லும். எந்த நேரத்திலும் நேர்ப் பாதையிலும் வளைவுப் பாதையிலும் ஒரு நிமிடத்தில் சக்கரங்களின் சுழற்சிகளின் எண்ணிக்கை இரண்டு சக்கரங்களுக்கும் சமமாகவே இருக்கும். குறுகிய பகுதி அல்லது அகன்ற பகுதி தண்டவாளத்தைத் தொட்டுச் செல்லும் இடத்தைப் பொறுத்துச் சக்கரங்களின் வேகம் இருக்கும்.

ரயில் வளைவுப் பாதையில் செல்லும்போது வெளிப்புறச் சக்கரம் உட்புறசக்கரத்தைவிட அதிக வேகமாகச் செல்லும். மேலும் வளைவுகளில் வெளிப்புறச் சக்கரத்தின் அகன்ற பகுதியும் உட்புறச் சக்கரத்தின் குறுகிய பகுதியும் தண்டவாளங்கள் மீது உருண்டு செல்லும்.

சக்கரங்களுக்குச் சாய்வான (tapered) வடிவம் இல்லை என்றால் சக்கரங்கள் தண்டவாளங்கள் மீது உரசி ‘கிரீச், கிரீச்’ என்ற ஒலியையும் வெப்பத்தினால் தீப்பொறிகளையும் ஏற்படுத்தும். வண்டி வளைவில் திரும்புவதற்கும் ஒட்டுநருக்கும் எந்தத் தொடர்பும் இல்லை. செங்குத்து வளைவுகளில் தொடர்வண்டி திரும்புவது கடினம். அதனால்தான் எல்லா வளைவுகளும் படிப்படியாகத் திரும்புவதற்கு ஏதுவாகப் பெரிய வட்டப்பாதையாக அமைக்கப்பட்டிருக்கும்.

இனி ரயிலில் ஏறுவதற்கு முன்பு சக்கரங்களின் அமைப்பை உற்றுப் பார்த்து அதிலுள்ள அறிவியலையும் தெரிந்துகொள்ள முயற்சியுங்கள்.

கட்டுரையாளர்: இயற்பியல் பேராசிரியர், அறிவியல் எழுத்தாளர்

தொடர்புக்கு: aspandian59@gmail.com