汽車用方向盤控制輪子轉向以進行轉彎，火車沒有方向盤，主要是靠鐵軌導引來轉彎，因此火車的輪子設計就很重要。如果不仔細觀察，火車的輪子看起來好像是平的，但實際上不是平的喔！

為什麼火車的輪子不是平的呢？讓我們來實驗一下不同形狀的輪子，在轉彎時有何差別。

圖一有三種輪子甲、乙、丙，分別以橡皮塞當輪子。甲是平的輪子（以圓筒塑膠管代替）；乙和丙是用牙籤插入橡皮塞當車軸，乙是中央小、邊緣大的輪子；丙反過來是中央大、邊緣小的輪子。

鐵軌以高壓電電線（高度較高，一般電線太小）用熱熔膠黏在木板上。製作好彎曲的鐵軌後，稍微墊高，成為斜坡，再將甲、乙、丙三種輪子分別放在鐵軌上自由滾動（如圖二），觀察三種輪子是否能夠在鐵軌上轉彎，而不會出軌？

實驗過程請觀看實驗影片（6.2M）　　

　　由實驗結果可以發現只有「丙」可以在鐵軌上轉彎，甲和乙都很容易出軌！

　　因此火車為了增加轉彎的穩定性，火車輪子的實際構造（如以下連結），類似丙的結構，輪子的內側都略大於外側。

1. http://www.turbosquid.com/3d-models/train-wheel-3ds/355301

2.http://www.cramster.com/answers-nov-11/mechanical-engineering/determine-velocities-trai-figure-shows-manner-train-wheel-rests_1637578.aspx?rec=0

　　原理如下圖。由軌道起點A經過左彎（讀者的左邊）的彎道到B時，軌道會偏到輪子的右邊；此時平筒式的輪子「甲」因為維持原來運動方向而出軌。至於「乙」的輪子，在B點時由於軌道偏到輪子的右邊，因此整組輪子會左傾，反之「丙」的輪子是右傾。由於重力（即重量，紅色箭頭）朝下，使得已經傾斜的乙、丙輪子，都有一個f₁的分力（藍色箭頭）。而乙輪子的f₁分力朝左，此分力使乙輪子繼續往左偏，因此容易使輪子脫離軌道。而丙輪子的f₁分力朝右，此分力會使丙輪子往右偏移，幫助輪子回到軌道中央，因此丙輪子就比較不容易出軌。。

　　除了以分力解釋，也可以由輪子「轉動圈數」的差異來解釋（角速度差異）。例如乙輪子在B點時，軌道與左邊輪子的接觸點接近內側，而與右邊輪子的接觸點接近外側，因此乙輪子滾動星同距離時，左邊輪子滾動的角度較大（因為輪子內側圓周長較小），右邊輪子滾動的角度則較小，因此乙輪子傾向於往右滾動，容易在B點出軌了。反之丙輪子傾向於往左滾動，在B點就不會出軌了。

　　操作時，軌道的傾斜度不能太大，以避免輪子的滾動速度過快。而軌道可嘗試S形，以增加趣味性（但是軌道長度必須增加）。

　　教學時，如果學生是國中以上程度，可以討論輪子減少摩擦力（例如貼上光滑的膠帶），對於防止輪子出軌，是有利因素還是不利因素？又有何優缺點？

參考解答：（請反白）輪子越光滑，摩擦力越低，可以讓丙輪子在轉彎時，傾斜的輪子更容易回到軌道，有利於避免出軌。但是輪子如果太光滑，與軌道的摩擦力太小，又容易造成抓地力降低，輪子容易空轉的缺點。

1. Train wheel 3ds：http://www.turbosquid.com/3d-models/train-wheel-3ds/355301