5.1 กลไก (mechanism)

มนุษย์รู้จักการนำอุปกรณ์บางประเภทเข้ามาช่วยในการทำงานและช่วยอำนวยความสะดวกตั้งแต่อดีตเช่น รอก พื้นเอียง คาน และได้พัฒนาเป็นกลไกต่าง ๆโดยประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบในการสร้างและพัฒนาเทคโนโลยี ไม่ว่าจะเป็น รถยกของ เครื่องสีข้าว เครื่องบดละเอียด ฯลฯ ในการทำงานของกลไกนั้นต้องอาศัยอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนหลายอย่างร่วมกันเพื่อทำให้เกิดการทำงานในลักษณะต่าง ๆ ได้ตามต้องการซึ่งอุปกรณ์แต่ละประเภทจะมีหน้าที่ในการทำงานที่แตกต่างกันไป ตัวอย่างอุปกรณ์ที่จะได้ศึกษาในบทนี้ ได้แก่ เฟือง เเละรอก

5.1.1 เฟือง (gears)

เฟืองเป็นชิ้นส่วนเครื่องกลที่มีรูปร่างโดยทั่วไปเป็นจานแบนรูปทรงกลม ส่วนขอบมีลักษณะเป็นแฉก เฟืองผลิตขึ้นมาเพื่อใช้ส่งกำลังในลักษณะของแรงบิด (torque) ด้วยการหมุนของตัวเฟืองที่มีฟันอยู่ในแนวรัศมี โดยการส่งกำลังจะเกิดขึ้นได้เมื่อมีเฟืองตั้งแต่สองตัวขึ้นไปมาสบกัน นั่นคือถ้าเฟืองตัวแรกหมุนเฟืองตัวที่สองจะหมุนในทิศทางตรงกันข้าม เกิดเป็นระบบส่งกำลังขึ้น

การนำเฟืองมาใช้ประโยชน์ในด้านต่าง ๆ ผู้ใช้จำเป็นต้องมีความเข้าใจหน้าที่และการทำงานของเฟือง เช่น ทำหน้าที่ส่งผ่านกำลังและการเคลื่อนที่ เปลี่ยนขนาดแรงบิดและความเร็วรอบ เปลี่ยนหมุนทิศทางการหมุนหรือทิศทางการเคลื่อนที่ ซึ่งเฟืองมีหลายประเภท โดยทั่วไปแล้วจะแบ่งตามรูปร่างและลักษณะการใช้งาน ดังนี้

จะเห็นได้ว่า เฟืองแต่ละประเภทจะมีหน้าที่แตกต่างกันไป เช่น ช่วยเพิ่มหรือลดแรง ลดหรือเพิ่มความเร็ว และช่วยเปลี่ยนแกนในการหมุน ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้กับงานที่หลากหลายเพื่อช่วยให้การทำงานของมนุษย์สะดวก รวดเร็ว และมีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้น

5.1.2 รอก (pulley)

รอก เป็นอุปกรณ์ช่วยอำนวยความสะดวกในการเคลื่อนย้ายสิ่งของ และช่วยผ่อนแรงเพื่ออำนวยความสะดวกแก่ผู้ใช้งาน มีลักษณะเป็นล้อที่มีร่องตรงกลาง สำหรับคล้องเชือก รอกสามารถแบ่งได้เป็น 3 ประเภท คือ

5.2 อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบันเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ ที่ใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น โทรทัศน์ หม้อหุงข้าวไฟฟ้า เครื่องซักผ้า เตาไมโครเวฟ มีส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายอย่างทำงานร่วมกันอีกทั้งการทำงานของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้ ต้องอาศัยการทำงานของเซ็นเซอร์ (Sensor) แผงควบคุมขนาดเล็ก(microcontroller board) และเครื่องจักรกลไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ทำงานร่วมกัน ตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และเซ็นเซอร์ มีดังนี้

5.2.1 มอเตอร์ (motor)

มอเตอร์เป็นอุปกรณ์ฟฟ้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล มีอยู่หลายประเภท แต่ละประเภทมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่น มอเตอร์ที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมต้องการแรงบิดมาก มอเตอร์ที่ใช้ในของเล่นต้องการความเร็วรอบสูง มีลักษณะภายนอกประกอบด้วยขั้วไฟฟ้าของมอเตอร์ 2 ขั้ว สำหรับเชื่อมต่อกับวงจรไฟฟ้ามีแกนเหล็กยื่นออกมาจากตัวมอเตอร์ เรียกว่าเพลามอเตอร์ ซึ่งเป็นส่วนที่ต่อเข้ากับอุปกรณ์ที่ต้องการให้เกิดการเคลื่อนที่ในลักษณะการหมุน เช่น ใบพัด เพลาของอุปกรณ์ต่าง ๆ มอเตอร์สามารถแบ่งตามประเภทการใช้กระแสไฟฟ้าได้เป็น 2 ประเภท คือ

1) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (direct current motor) หรือ ดี.ซี. มอเตอร์ (D.C. Motor)เป็นมอเตอร์ที่ต้องใช้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงเช่น เชลล์ไฟฟ้า หรือแบตเตอรี่ มอเตอร์ประเภทนี้สามารถควบคุมการหมุนให้หมุนตามเข็มนาฬิกาหมุนทวนเข็มนาฬิกา หรือหยุดหมุนได้ง่าย ซึ่งอัตราเร็วของการหมุนขึ้นอยู่กับแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ไฟฟ้า ที่จ่ายให้กับมอเตอร์

2) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (alternating current motor) หรือเรียกว่า เอ.ซี. มอเตอร์(A.C. motor) เป็นมอเตอร์ที่ต้องใช้กับแหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านเรือน ในชีวิตประจำวันมีการใช้งานของมอเตอร์กระแสสลับในเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิดโดยเฉพาะเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีลักษณะการเคลื่อนไหวแบบหมุน เช่น เครื่องซักผ้า พัดลมมอเตอร์กระแสสลับสามารถแบ่งตามระบบการจ่ายไฟฟ้า ซึ่งมีอยู่ 2 ประเภท คือ มอเตอร์แบบหนึ่งเฟส (single phase motor) และมอเตอร์แบบสามเฟส (three phase motor)ตาราง 5.2 ประเภทของมอเตอร์และการนำไปใช้

5.2.2 อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิดมักมีส่วนประกอบของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีลักษณะและการทำงานที่แตกต่างกันไปในส่วนนี้นักเรียนจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานที่ถูกใช้เป็นส่วนประกอบในเครื่องใช้ไฟฟ้าต่าง ๆ

อิเล็กทรอนิกส์ (electronics) เกี่ยวข้องกับการควบคุมการผ่านของกระแสไฟฟ้าในวงจร ซึ่งมีชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบเพื่อควบคุมการผ่านของกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน มีดังนี้

ตัวต้านทาน (resistor) เป็นอุปกรณ์ที่มีสมบัติในการต้านการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้ามีหน่วยเป็นโอห์ม ในวงจรไฟฟ้าตัวต้านทานที่มีค่ามากจะทำให้มีกระแสไฟฟ้าผ่านได้น้อย โดยทั่วไปแบ่งเป็น 2 ประเภท ได้แก่

2) ตัวเก็บประจุ (capacitor) ทำหน้าที่เก็บสะสมประจุไฟฟ้า โดยนำสารตัวนำ 2 ชิ้นมาวางในลักษณะขนานกัน โดยระหว่างตัวนำทั้งสองจะถูกกั้นด้วยฉนวนที่เรียกว่า ไดอิเล็กตริก (dielectric) ซึ่งไดอิเล็กตริกนี้อาจจะเป็นอากาศ ไมก้า พลาสติก เซรามิก หรือสารที่มีสภาพคล้ายฉนวนอื่น ๆ

ประเภทของตัวเก็บประจุแบบค่าคงที่ ซึ่งใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ต่าง ๆ มีหลายประเภท ดังนี้

3) ไดโอด (diode) เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทำจากสารกึ่งตัวนำ ที่มีคุณสมบัติยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้ทางเดียว จึงทำหน้าที่ควบคุมทิศทางการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า และป้องกันกระแสไฟฟ้าเคลื่อนที่ย้อนกลับในปัจจุบันมีใดโอดหลายประเภท ไดโอดที่นิยมใช้ มีดังนี้

5.2.3 เซ็นเซอร์ (sensor) เซ็นเซอร์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการเปลี่ยนปริมาณทางกายภาพให้เป็นสัญญาณฟฟ้า ซึ่งปัจจุบันเซ็นเซอร์ถูกนำมาประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบของเครื่องใช้ไฟฟ้ากันจำนวนมาก เซ็นเซอร์พื้นฐานที่น่าสนใจมีดังต่อไปนี้

1) เซ็นเซอร์ตรวจจับการสัมผัส (touch sensor)

5.3 แผงควบคุมขนาดเล็ก (microcontroller board)

แผงควบคุมขนาดเล็ก เป็นแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตัวควบคุมขนาดเล็กที่สามารถโปรแกรมได้เรียกว่า "ไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller)" ทำงานร่วมกับวงจรเชื่อมต่อและโปรแกรมภาษาคอมพิวเตอร์ที่ใช้ในการพัฒนาโปรแกรมใช้งานและสื่อสารข้อมูล โดยปัจจุบันมีแผงตัวควบคุมขนาดเล็กหลายประเภท เช่น