Απλοί μηχανισμοί

Ένα μοτέρ που γυρίζει πολύ γρήγορα

Ένα μικρό ηλεκτρικό μοτέρ από ένα παλιό παιχνίδι γυρίζει χιλιάδες στροφές το λεπτό. Αν κολλήσεις έναν τροχό πάνω του, ο τροχός γυρίζει τόσο γρήγορα που το αυτοκινητάκι σου απλώς σπινάρει, ή το μοτέρ σταματά γιατί δεν έχει τη δύναμη να το σπρώξει. Χρειάζεσαι κάτι ανάμεσα στο μοτέρ και στον τροχό: έναν μηχανισμό.

Μηχανισμός είναι ένα σύνολο από κομμάτια που μεταφέρει μια κίνηση από ένα σημείο σε άλλο και συχνά την αλλάζει: την κάνει πιο αργή και πιο δυνατή, πιο γρήγορη, αντίθετης φοράς, ή άλλου είδους. Στη Φυσική εξετάζεις γιατί ένας μοχλός ισορροπεί. Εδώ ρωτάς κάτι άλλο: ποιον μηχανισμό βάζω στο σχέδιό μου, για να κάνει αυτό που θέλω;

Τέσσερα είδη κίνησης

Τα περισσότερα μοτέρ δίνουν περιστροφική κίνηση. Πολλές από τις δουλειές που θέλουμε είναι όμως άλλου είδους. Γι' αυτό οι μηχανισμοί που μετατρέπουν κίνηση είναι τόσο χρήσιμοι.

Οι μηχανισμοί του σχεδιαστή

Μοχλός. Μια ράβδος που γυρίζει γύρω από ένα σημείο στήριξης. Ανάλογα με το πού βρίσκονται το στήριγμα, το φορτίο και η δύναμη, κερδίζεις δύναμη (καρυοθραύστης, καρότσι) ή διαδρομή και ταχύτητα (τσιμπιδάκι, το χέρι σου στον αγκώνα). Σε ένα παιχνίδι από χαρτόνι, ένας μοχλός κάνει ένα χέρι να σηκώνεται όταν πατάς ένα κουμπί.

Τροχαλίες με ιμάντα. Δύο τροχοί στη σειρά, ενωμένοι με λαστιχάκι ή ιμάντα. Μεταφέρουν την περιστροφή σε απόσταση, με την ίδια φορά. Αν σταυρώσεις τον ιμάντα, η φορά αντιστρέφεται. Αν ο ιμάντας γλιστρήσει, δεν σπάει τίποτα: χρήσιμο για ασφάλεια, κακό για ακρίβεια.

Γρανάζια (οδοντωτοί τροχοί). Τα δόντια τους εμπλέκονται, οπότε δεν γλιστρούν. Δύο γρανάζια που εφάπτονται γυρίζουν με αντίθετη φορά. Αν θέλεις την ίδια φορά, βάζεις ένα τρίτο, ενδιάμεσο γρανάζι ανάμεσά τους.

Αλυσίδα με γρανάζια. Όπως στο ποδήλατο: μεταφέρει την περιστροφή σε απόσταση, με την ίδια φορά, χωρίς γλίστρημα.

Έκκεντρο και ωστήριο. Ένας τροχός με σχήμα αυγού ή με τον άξονα εκτός κέντρου γυρίζει, και μια ράβδος που ακουμπά πάνω του ανεβοκατεβαίνει. Μετατρέπει περιστροφική σε παλινδρομική κίνηση. Είναι η καρδιά των κινούμενων παιχνιδιών από χαρτόνι και ξύλο.

Στρόφαλος και διωστήρας. Μια λαβή που γυρίζει σπρώχνει μια ράβδο μπρος-πίσω, ή το ανάποδο: το έμβολο του κινητήρα αυτοκινήτου γυρίζει τον στροφαλοφόρο άξονα. Μετατρέπει παλινδρομική σε περιστροφική κίνηση και αντίστροφα.

Ο λόγος μετάδοσης

Όταν ένα γρανάζι με 12 δόντια (ο κινητήριος, αυτός που κινεί) γυρίζει ένα γρανάζι με 24 δόντια (ο κινούμενος), κάθε φορά που ο μικρός κάνει μία στροφή, έχει περάσει 12 δόντια. Ο μεγάλος έχει προχωρήσει 12 από τα 24 δόντια του, δηλαδή μισή στροφή.

Λόγος μετάδοσης = δόντια κινούμενου : δόντια κινητήριου

Στροφές εξόδου = στροφές εισόδου : λόγος μετάδοσης

• Μικρός κινεί μεγάλο: η έξοδος γυρίζει πιο αργά, αλλά με μεγαλύτερη ροπή (πιο δυνατά). Αυτό θέλει το αυτοκινητάκι στην ανηφόρα.
• Μεγάλος κινεί μικρό: η έξοδος γυρίζει πιο γρήγορα, με μικρότερη ροπή. Αυτό κάνει το μίξερ της κουζίνας με τη μανιβέλα.

Οι ίδιοι λογαριασμοί ισχύουν για τις τροχαλίες, με τις διαμέτρους στη θέση των δοντιών, και για την αλυσίδα, με τα δόντια μπροστά και πίσω.

Δύο γρανάζια

Ο κινητήριος γυρίζει 30 στροφές το λεπτό. Άλλαξε τα δόντια και δες τον λόγο, τις στροφές εξόδου και τη φορά. Τι γίνεται όταν τα δύο έχουν ίδια δόντια; Και όταν ο μεγάλος κινεί τον μικρό;

Σταμάτα

Κινητήριος τροχός (δόντια)12

Κινούμενος τροχός (δόντια)24

Λόγος μετάδοσης

1 : 2

Στροφές εισόδου (ανά λεπτό)

30

Στροφές εξόδου (ανά λεπτό)

15

πιο αργά, με μεγαλύτερη ροπή
Φορά: αντίθετη από τον κινητήριο

Ποιος μηχανισμός για ποια δουλειά;

Διάλεξε τι θέλει να κάνει η κατασκευή σου και μετά έναν μηχανισμό. Μπορεί να ταιριάζουν περισσότεροι από ένας.

Τι θέλω να κάνει;

Ένα ψάρι από χαρτόνι να ανεβοκατεβαίνει όταν γυρίζω μια μανιβέλαΝα κόψω την ταχύτητα ενός μοτέρ από 3000 σε περίπου 750 στροφέςΝα μεταφέρω την περιστροφή 50 cm μακριά, με την ίδια φορά και χωρίς γλίστρημαΝα γυρίζουν δύο τροχοί κοντά ο ένας στον άλλο με αντίθετη φορά

Με ποιον μηχανισμό;

ΓρανάζιαΤροχαλίες με ιμάνταΑλυσίδαΈκκεντρο

Με ποιον μηχανισμό;

Ας το κάνουμε μαζί

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Δοκίμασέ το πρώτα. Μετά δες τη λύση.

Δείξε τη λύση

Το έργο σου: ένα κινούμενο παιχνίδι με έκκεντρο

Φτιάξε ένα αυτόματο από χαρτόνι: ένα κουτί με έναν άξονα (ένα καλαμάκι ή ένα ξυλάκι για σουβλάκια) που περνά από τα πλάγια, μια μανιβέλα στη μία άκρη, και μέσα στο κουτί ένα ή δύο έκκεντρα από στρογγυλά κομμάτια χαρτονιού με την τρύπα εκτός κέντρου. Πάνω τους ακουμπά μια ράβδος που βγαίνει από το καπάκι και κρατά μια φιγούρα: ψάρι, πουλί, βάρκα. Δοκίμασε δύο έκκεντρα με διαφορετικό σχήμα ή στροφή, και γράψε τι αλλάζει στην κίνηση. Αν θέλεις να πας πιο μακριά, πρόσθεσε ένα ζεύγος γραναζιών από χαρτόνι για να γυρίζει και μια δεύτερη φιγούρα.