Vrid och vänd en rörande historia

Transkript

1 Vrid och vänd en rörande historia Den lilla bilden nederst på s 68 visar en låda. Men vad finns i den? Om man vrider den vänstra pinnen, så rör sig den högra åt sidan. Titta på pilarna! Problemet har mer än en lösning, men det räcker om du hittar en. I kapitlet Vrid och vänd får du möta flera liknande problem. Det kommer att handla om rörliga delar, vad de är bra för och hur de används. Det är förstås därför Vrid och vänd är "en rörande historia ". Att flytta och förändra Kraft och rörelse Rörelser kan förstås vara olika. Och de kan vara olika på många sätt. Här är några förslag. Kan du komma på föremål som rör sig så? Långsamt Med jämn fart Åt samma håll Rakt Med rotation Snabbt Ryckvis Fram och tillbaka Krokigt Utan rotation Ofta har man att man tillgång till en rörelse men behöver en annan. Anta att man har en, elektrisk motor. Den vill man använda för att röra en pump fram och tillbaka. Eller för att flytta ett hölass Iran kärran upp till logen. Hur gör man då? Andra gånger räcker det med att flytta rörelsen och kraften från ett ställe till ett annat. För att öppna huven på bilen drar man i en spak vid förarplatsen. Rörelsen flyttas fram till spärren och huven öppnas. Ibland behöver man förvandla en liten kraft till en stor. Då blir å andra sidan rörelsen mindre."mekanikens gyllene regel" säger: Det som vinns i kraft förloras i väg. "Mekanikens gyllene regel" innebär till exempel att om man gör kraften tre gånger så stor, så minskas rörelsen till en tredjedel. Man blir stark med en kofot, men man måste göra en större rörelse i den långa änden. På bilden på s 69 ser du hur en kofot används.

2 När man flyttar och förändrar rörelser och krafter använder man ofta rörliga mekanismer. Mest fram och tillbaka Länkar och vajrar Rörliga delar som man skjuter på med eller drar i är mycket vanliga. De kan se ut på många sätt - stora eller små, raka eller krokiga. De brukar kallas länkar. De förmedlar kraft och rörelse i riktning från en punkt till en annan "i längsled". Ibland sätter man ihop fyra länkar så att de bildar en parallellogram. Det är en figur med fyra sidor. De sidor som sitter mitt emot varandra är lika långa och parallella. Om en sida sitter fast, så kommer den sida som är mitt emot att hela tiden ha samma riktning trots att den går att röra. Se bilden överst på s 70. Ett enkelt sätt att flytta en dragkraft är att använda en lina eller vajer. Vajern är ett slags kraftigt snöre eller rep som oftast är gjort av ståltråd. Om vajern ska följa en krokig väg måste man göra något för att hålla den sträckt. Antingen låter man den löpa via små hjul eller i ett rör. Vajer är ett engelskt ord. Det stavas ibland wire. Hävstänger Hävstången används ofta när en kraft eller en rörelse ska - förstoras - förminskas - förflyttas eller - få en annan riktning. En hävstång har en fast punkt som den kan vridas omkring. Avståndet mellan den fasta punkten och den punkt där kraften och rörelsen räknas kallas hävarm. Hävstänger behöver inte vara raka. Med en böjd hävstång kan man ändra riktningen hos en kraft eller en rörelse. På samma sätt som med en rak hävstång kan man förstås använda olika långa hävarmar och på så sätt ändra storleken hos kraften och rörelsen. Cykelns bromshandtag är en böjd hävstång. På bilderna på s 71 ser du hur hävstänger kan fungera. Gångjärn och kulleder Man kan böja knäet, men vaden kan inte vridas i förhållande till låret. Så fungerar ett gångjärn. Låret kan röras i alla riktningar. Det kan också vridas i

3 förhållande till höften. Där sitter en kulled. Kulleder är också vanliga i tekniska sammanhang. Fjädrar Fjädrar är elastiska. De vill återta sin vanliga form eller längd. Fjädrar används för att åstadkomma krafter i mekanismer. Fjädern kan också lagra energi. Den kan man få tillbaka då fjädern återtar sin vanliga form. Fjädrar kan till exempel - driva mekanismer - hålla fast saker - föra tillbaka något som flyttats - fungera som stötdämpare. Bilder av olika sorters fjädrar hittar du på s 72. Rotation Hjul och axlar En av de viktigaste rörliga delarna är hjulet. Hjulet sitter på en axel. Det kan sitta fast på axeln eller snurra fritt. Om flera hjul sitter fast på samma axel kommer de förstås att snurra med samma varvtal. Om två olika stora hjul ligger emot varandra så att kanterna rör sig med samma fart, snurrar hjulen olika fort. Detta utnyttjar man för att få olika varvtal. Varvtalet säger hur fort hjulet roterar, exempelvis 20 varv/s eller 1200 varv/min. Titta på bilden på s 73. Medan cykelhjulen roterar rör sig cykeln framåt. Hjulet kan alltså överföra rotation till rak rörelse. Kan du komma på något exempel på att rak rörelse överförs till roterande? Hjulet är en mycket gammal uppfinning. De äldsta bilderna av hjul är flera tusen år gamla. Svänghjul Ett svänghjul gör att rotationen går i jämn fart. Det ska vara ganska tungt. Ett svänghjul finns till exempel i mopedmotorn. Det gör att motorn inte tappar

4 farten mellan explosionerna. Den måste ju fortsätta och pressa ihop bensin-luftblandningen inför nästa explosion. Svänghjulet gör också att motorn inte rycker till varje gång bensinen exploderar i cylindern. Remmar och kedjor Hjulet kan alltså göra om rotation till rak rörelse och tvärtom. Det kan man utnyttja med en rem eller en kedja. Då kan rotation överföras från det ena hjulet till det andra. Om man gör kugghjulen olika stora kan man samtidigt ändra varvtalet. Så fungerar en vanlig cykel. Kugghjulen som kedjan sitter på är olika stora, och därför kommer bakhjulet att rotera flera varv än kugghjulet med tramporna. A andra sidan blir det svårare att trampa. En cykelväxel är gjord så att man kan flytta kedjan mellan olika stora kugghjul. På så sätt ändras utväxlingen. Kuggar och skruvar Kuggar hindrar hjulens kanter från att slira mot varandra. Därför är kugghjul och kuggstänger mycket vanliga i maskiner. Genom att sätta ihop olika stora kugghjul kan man bestämma hur fort den utgående axeln ska snurra jämfört ined den ingående. Om kugghjulen är koniska behöver axlarna inte vara parallella. Då är den andra axeln oftast vinkelrät mot den första. Så kan det vara i ett borrskaft eller en gräddvisp. Skruven ger stor kraftvinst. När man vrider den i förhållande till muttern får man en långsam rak rörelse i stället för rotationen.

5 Snäckskruven, som passar i ett snäckhjul, förvandlar en snabb rotation till en långsam. Det används till exempel när man stämmer en gitarr. För att snäckhjulet ska vrida sig ett varv måste man vrida många varv på skruven - oftast lika många som hjulet har kuggar. Vevar och vevstakar Veven är ofta handtag när man snurrar på något, men det finns många andra användningar. Med hjälp av en vev kan man göra om en fram- och återgående rörelse till rotation och tvärtom. Länken mellan den roterande veven och den raka rörelsen kallas ofta vevstake. Vevstakens ena ände rör sig i en cirkel. Den andra änden rör sig fram och tillbaka. Cykelpedalerna sitter på vevar. När man cyklar fungerar benet mellan knä och fot som vevstake. Friktion Bromsar utnyttjar friktion När man vill bromsa ett hjul brukar man utnyttja friktionen. Friktionen är det motstånd som uppstår då man gnider en yta mot en annan. Det finns sådana bromsar av olika slag. Här är några: Cyklar har ofta fälgbroms. Då är det ett par gummikuddar, bromsbackar, som klämmer åt om fälgen. Fälgen är metallringen som däcket sitter fast på. Om fälgen blir våt minskar friktionen. Då fungerar bromsen sämre. Trumbromsen finns i baknavet på många cyklar. När man försöker trampa bakåt pressas en metalldel hårt mot insidan av trumman. Då snurrar hjulet inte så lätt. En liknande konstruktion förekommer i bilar, där trumman bromsas med ett par bromsbackar från insidan. Tåg bromsar har bromsbackar som trycker direkt på hjulet utifrån. Skivbromsen är vanlig i bilar och på motorcyklar. Den är som en fälgbroms, men i stället för att låta bromsbackarna klämma på fälgen sätter man en speciell bromsskiva på hjulaxeln innanför hjulet. På moderna motorcyklar sitter ofta skivbromsarna alldeles öppet bredvid hjulen. Man ser dem ibland också innanför bil hjul, om de inte skyms av navkapslar. Bromsar kan bli mycket varma, speciellt om fordonet som ska bromsas är tungt och har hög fart. Bromsbackarnas slitytor, bromsbelägen, måste alltså tåla hög temperatur. Därför har bromsbackar till bilar länge tillverkats av

6 asbest. Det är ett mycket värmetåligt material. Nu ersätts asbest av andra material, eftersom asbest är farligt att arbeta med. Kopplingar utnyttjar friktion Man har nytta av friktionen då man vill koppla ihop två axlar så att de går att sära på tillfälligt. På bilderna till höger på s 78 ser du hur det kan det gå till. Kopplingen i bilar och mopeder fungerar på det här sättet. - Friktionen beror på hur hårt ytorna pressas ihop. Därför kan den stillastående axeln startas mjukt genom att man först trycker försiktigt, så att ytorna kan slira. Så gör man när man släpper upp kopplingspedalen i en bil. Smörjning minskar friktionen Bromsar och kopplingar behöver friktion. Andra gånger är friktion ett hinder som man vill undvika. Ett sätt att minska friktionen är att smörja med något lämpligt medel. Det lägger sig som en tunn hinna mellan de ytor som gnids mot varandra. Då kan inte ytornas små ojämnheter haka i varandra. Lager minskar friktionen För att minska friktionen kan man också använda något slags lager. Det finns många sorter. Här är några exempel. I glidlager glider ytorna mot varandra. Då försöker man använda ämnen som inte orsakar stor friktion. Man kan också förhindra att ytorna gnids mot varandra över huvud taget. Då använder man rullager eller kullager. Redan vikingarna använde ett slags rullager när de flyttade sina skepp mellan floderna. De rullade dem på stockar. När man gör rullager för rotation låter man rullarna ligga mellan två ringar. På så sätt är rullarna alltid på plats medan ringarna roterar i förhållande till varandra. På motsvarande sätt gör man ett kullager. Kullager finns till exempel på flera ställen i en cykel, åtminstone i baknavet, framnavet, veven, pedalerna och styrstången. Spärrar och lås En spärr hindrar en rörelse. Den kan hindra en axel från att rotera åt ena hållet eller båda. Den kan också hålla fast ett föremål och hindra det från att röra sig på andra sätt. Spärrar är ofta utformade som klor eller krokar, men det finns flera andra typer. De kan till exempel utnyttja friktion.

7 Ett läs är en spärr som man inte kan öppna utan nyckel. Den del av tåset som hör ihop med nyckeln är oftast mycket krångligare än själva spärren. Det är lör att låset inte enkelt ska kunna öppnas med dyrk. Vanliga låstyper De flesta dörrlås är antingen cylinderlås eller tillhållarlås. 1 båda typerna kan man få tusentals olika varianter genom att flytta eller byta ut detaljer. Det gör att risken är mycket liten att två lås ska kunna öppnas med samma nyckel. Lås kan också avsiktligt göras sådana att en nyckel kan öppna flera olika lås. En sådan nyckel kallas huvudnyckel. Ett cylinderlås innehåller några små pinnar som nyckeln tränger undan när den sätts i låset. Om det är rätt nyckel hamnar pinnarna så att de inte hindrar låsets cylinder från att vridas om. De enkla maskinerna Det finns några anordningar som man brukar kalla "enkla maskiner". De är olika sätt att vinna kraft enligt mekanikens gyllene regel. Några har vi redan diskuterat. Det lutande planet När en båt ska tas upp på land kan man dra den uppför ett lutande plan. Då behövs inte lika stor kraft som om man skulle lyfta båten den korta vägen rakt upp. Ju längre det lutande planet är, desto mindre brant lutar det, och desto mindre kraft behövs. Men sträckan blir förstås längre. Kilen Man kan använda kilar då man vill klämma fast saker, till exempel en dörr som ska vara öppen. Med en kil kan man också spräcka en stock. Kilen är en variant på det lutande planet. Ju spetsigare vinkel kilen har, desto mindre kraft behövs det för att slå i den. Skruven Ju tätare gängor en skruv har, desto större blir kraftvinsten. Och desto flera varv måste man vrida. Man kan jämföra skruven med en spiraltrappa: Ju mindre brant trappan är, desto längre sträcka måste man gå för att komma upp. Å andra sidan behöver man inte använda så stor kraft. Skruven kan ses som ett lutande plan som man har rullat ihop. Hävstången Kofoten ger en kraftvinst. Längre "ben" och kortare "fot" gör att man vinner ännu mera i kraft. Hävstången är så vanlig att man knappt tänker på dem - den är

8 kanske vårt viktigaste mekaniska hjälpmedel. Handtag och skaft fungerar ofta som hävstänger. Hjulet Hjul kan fungera som hävstänger: Ju längre radie, desto större blir rörelsen vid hjulets kant, och desto mindre blir kraften där. Det utnyttjar man i växellådor, där man sätter samman flera hjul. Block och talja När man ska lyfta något kan man använda ett rep som löper över ett hjul som hänger i taket. Ett sådant hjul kallas block. Det kan alltså användas för att ändra kraftens riktning. Ibland sätter man samman två block till en talja och kan på det viset vinna kraft. Man kan använda block med flera hjul i. Ju flera gånger repet går mellan de två blocken, desto mer kraft vinner man. Och desto längre väg får man dra repänden. Sammanfattning Vrid och vänd Länkar kan användas till både drag- och tryckkrafter, medan vajrar kan användas till dragkrafter. Hävstången vrider sig kring en fast punkt. Hävarmarnas längder avgör hur kraft och rörelse ändrar storlek. Gångjärn kan böjas åt ett håll medan kulleder kan böjas i alla riktningar. De vanligaste fjädrarna är dragfjädrar och tryckfjädrar. Bladfjädrar används ofta i bilar och järnvägsvagnar. Gas fjädrar utnyttjar trycket hos en instängd gas. Hjul och hjulaxlar används för att åstadkomma utväxling. De kan också översätta rotation till rak rörelse och tvärtom. Svänghjul har till uppgift att hålla rotationen jämn. Remmar och kedjor kan överföra rotation från ett hjul till ett annat. Kuggar gör att det inte slirar. Det utnyttjar man i kugghjul, kuggstänger, snäckskruvar och kedjor. Vevar kan göra om rotation till fram- och återgående rörelse och tvärtom.

9 Bromsar och kopplingar utnyttjar oftast friktion. Smörjning och lager används när man vill minska friktionen. Spärrar hindrar saker att röra sig. Ett lås är en spärr som öppnas med nyckel. Minns du? 1. Vad säger "Mekanikens gyllene regel"? 2. Var i kroppen finns gångjärnsleder? Kulleder? 3. Vad gör ett svänghjul? 4. Ge ett exempel på vev och vevstake. 5. Nämn två sätt att minska friktionen. 6. Vad är en dyrk? 7. Vilka är de "enkla maskinerna"? Förstår du? 1. Varför kan man vilja flytta en rörelse? Ge exempel. 2. Varför kan man vilja förändra en rörelse? Ge exempel. 3. Varför kan man vilja förändra en kraft? Ge exempel. 4. Rita en länk och markera rörelsen med en pil. 5. Rita en hävstång och markera rörelsen med pilar. 6. Hur ändrar man utväxlingen på en tävlingscykel? 7. När används koniska kugghjul? Rita! 8. Hur utnyttjar man friktion i bromsar?