สาระสำคัญ

ลำบากแค่ไหน กลไกช่วยได้ เป็นการเรียนรู้วิทยาศาสตร์เกี่ยวกับเฟืองน่ารู้ และเกียร์สูง เกียร์ต่ำ เมื่อรถยนต์และรถจักรยานยนต์เริ่มเคลื่อนที่หรือขึ้นที่สูงชันต้องใช้แรงมากในการขับเคลื่อนแต่การเพิ่มอัตราเร็วของรถ ในขณะที่รถกำลังแล่นนั้นจะใช้แรงน้อยกว่าเมื่อเทียบกับขณะรถเริ่มเคลื่อนที่รถยนต์ และรถจักรยานยนต์จึงต้องมีระบบเฟืองเป็นอุปกรณ์ในการปรับแรงและเปลี่ยนอัตราเร็ว อุปกรณ์หลักของระบบเฟืองอย่างง่ายประกอบด้วยเฟืองสองอันสบกัน ทำหน้าที่เป็นเฟืองขับและเฟืองตามหมุนในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นในการออกแบบและสร้างรถจำลองเพื่อให้สามารถแล่นได้บนทางเรียบ ขึ้นเนิน จะต้องใช้ความรู้เรื่องระบบเฟือง อัตราทดของเฟือง และการเลือกใช้เฟืองที่เหมาะสมในการสร้างชิ้นงาน

เฟืองน่ารู้

รถยนต์และจักรยานยนต์ทุกชนิดจะมีเฟืองหรือเรียกเป็นภาษาอังกฤษว่าเกียร์ในการส่งกำลังจากแหล่งต้นกำลัง (เช่น เครื่องยนต์ มอเตอร์ไฟฟ้า) ไปยังเพลาขับเคลื่อน เฟืองอย่างง่ายประกอบด้วย เฟือง 2 อันสบกัน เฟืองอันหนึ่งยึดติดกับแกนของแหล่งต้นกำลัง เรียกว่า เฟืองขับ ทำหน้าที่ขับเคลื่อนเฟืองอีกตัวหนึ่งให้หมุนในทิศทางตรงข้าม และเฟืองอันที่สองยึดติดกับเพลาขับเคลื่อน เรียกว่า เฟืองตาม อัตราทดของเฟืองหรือเกียร์จะมีผลต่อแรงที่ใช้ในการขับเคลื่อนรถ เฟืองมีหลายชนิด แต่ในกิจกรรมนี้จะใช้เฉพาะเฟืองตรงซึ่งเป็นเฟืองที่มีฟันขนานกับแกนหมุน

ระบบเฟืองที่มีเฟืองขับและเฟืองตามทำงานร่วมกัน หากเฟืองขับมีขนาดเล็กกว่าเฟืองตามจะทำให้ได้แรงบิดมากขึ้นซึ่งอธิบายได้ด้วยหลักการของ ทอร์ค (Torque) หรือแรงบิด ทำให้วัตถุเกิดการหมุน เช่น ถ้ากำหนดให้ r1 แทนรัศมีของเฟืองขับ r2 แทนรัศมีของเฟืองตาม และ F1 และ F2 แทนแรงที่เฟืองทั้งสองอันกระทำต่อกันในแนวตั้งฉากดังรูป

ซึ่งแรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากันตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน จะได้ว่า

τ1 = r1F1 และ τ2 = r2F2 โดยที่ F1 = F2

ดังนั้น จึงได้ว่า ทอร์ค (Torque) ของเฟืองตามมีค่ามากกว่าเฟืองขับ ซึ่งมีผลทำให้ระบบเฟืองนี้ได้แรงบิดมากขึ้นนั่นเอง

เกียร์สูง เกียร์ต่ำ

เกียร์สูง – เกียร์ต่ำสำคัญอย่างไร

เกียร์ที่มีอัตราทดสูงจะให้แรงบิดมาก เช่น เกียร์ 1 เกียร์ 2 ในรถยนต์หรือรถจักรยานยนต์ เรานิยมเรียกว่า “เกียร์ต่ำ” และเกียร์ที่มีอัตราทดของเฟืองต่ำจะให้แรงบิดน้อย เช่น เกียร์ 4 และเกียร์ 5 เรานิยมเรียกว่า “เกียร์สูง” เราจะใช้เกียร์ต่ำเมื่อเวลารถออกตัวหรือขึ้นที่ลาดชัน และจะใช้เกียร์สูงเมื่อเวลาที่เราขับรถด้วยอัตราเร็วพอสมควรอยู่แล้วและต้องการเพิ่มอัตราเร็วให้สูงขึ้น เนื่องจากการทำให้รถเริ่มเคลื่อนที่ต้องอาศัยแรงมากกว่าการทำให้รถแล่นต่อไปหลังจากออกรถแล้ว รวมทั้งการขับรถขึ้นที่ลาดชันก็ต้องใช้แรงมากกว่าการขับรถบนพื้นราบนั่นเอง