鉄道模型実験室 No.295 実験装置の改善
引出し特性という現象を観察しているが、実験装置の摩擦トルクの低減と回転ムラの改善に取り組みました。
■ 慣性円盤の取付方法
実験・観察装置の問題点は、回転にムラがあり摩擦抵抗が変動することと、その摩擦抵抗そのものも大きいことでした。その原因は慣性円盤を支える支持軸が貧弱であり、かつ軸を水平にしていましたので回転体のアンバランスによって回転ムラが生じていた事でした。
そこで、慣性円盤の支持軸を垂直にし、アンバランスによる回転抵抗のムラを少なるすることを基本方針としました。このため、観察装置の全体構成を見直しました。そきでまず、慣性円盤の状態を見てみましょう。
この部品はホームセンタで見つけたフジキング製の重量戸車60ミリ です。通常は鉄板製の枠に13ｍｍのボルトとナットを使用して重い扉に取り付けるのですが、この仕組みが使用でしません。この戸車はかなりの重量ですが、ベアリングを内蔵していますので軽く回転します。
そこで、得意の木工工作にて支柱を立てることにしました。戸車の内径が 13㎜ と大きいため、色々な詰物を使用して径を落とし、頑丈な木片に固定しました。
この木製の取付台を使用してレール台に固定しようという事です。
さて、慣性円盤は何とか水平に取り付けることが出来ましたが、新な問題が発生しています。まず、この円盤に糸を巻き付ける部分は、φ48mm の溝部しかありません。これは、今まで使用していたφ17.5mm のドラム径の2.74倍になります。すなわち、糸の同じ繰出し量に対して、
- 慣性円盤の回転角は、 2.74 分の一に減少する。
- このため、慣性能率、 7.5 分の一に減少する。
- しかし、摩擦抵抗は、 2.74 分の一に減少するはずである。
という事である。（１）に対してはロータリエンコーダ部分を今までの構造物を活用することでた王できますので影響は有りません。しかし、慣性能率が減少することは影響が大なのです。そこで、円盤上面の空間を利用して、いろいろな重りを追加することで対応することにしています。このため、固定軸との干渉防止のために紙テープの芯を貼り付けているのだが、さてどれだけの効果があるか疑問である・・・・・・・・・。
■ 計測部の工作
計測部の構成は、回転体の回転軸を水平に配置した「引出し特性の予備実験」（2026/3/16）の構造にこだわったのだが、あれこれ悩んだ末に、慣性円盤と同様に軸を垂直に配置することにした。
まず、ロードセルを垂直に配置し、糸の外れ対策チャネルも水平に配置した。ロータリエンコーダは今までの糸巻ドラムと一体化し、その軸を垂直に立てました。そして、糸はドラムに一回転分巻き付けて、糸の繰り出し量を計測するようにした。さらにArduino や他の計測基板類もその周りに設置して計測ユニットとして一体化しました。電子回路の構成は今までと同じです。
一番苦心したのは、ロータリエンコーダ部の回転軸です。上右の写真に示すように、今まで使用していたボールベアリングをプラスチック円筒内に収め、紙テープで測定台の梁に張り付けています。
■ レール台への取付
工作した慣性円盤台と計測ユニットをレール台にアッセンブリしました。
計測ユニットはレール台の端部に取り付け電源やパソコンと接続します。
慣性円盤部はレールと干渉しないようにレール台の側面に取り付けました。糸の高さを揃える配慮からです。
慣性円盤の溝に巻き取っている糸は、ロータリエンコーダのドラムに1回転巻き付けて、ロードセルのプーリーを回って線路上に繰り出すようにしています。
■ 完成した実験装置
組みあがった観察・実験装置を下に示します。
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今回の装置の改良は、メカ部の構成を変えたのみで、電子回路系はそのままです。従って、Arduinoのスケッチも前回のものをそのまま使用します。
ロータリエンコーダ部もそのまま活用していますので、測定に関する換算値もそっくり同じです。
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でも、仕様として変更となったのは、最初に述べたように慣性能率が大幅に低下したのでその影響具合です。
他の効果として、摩擦抵抗は小さくなったのか、回転抵抗のムラは減少したのか、・・・・・・・・期待を持って、その効果を確認することにしましょう。
2026/4/3