ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ ΣΤΑΤΙΚΗ 1.Μηχανές γύρω µας Ποιος κουβαλάει µεγάλα βάρη σήµερα; Ποιος ανοίγει µια τρύπα στον τοίχο µε τη µυϊκή του δύναµη; Ποιος πλένει ακόµα τα ρούχα του στη σκάφη; Σχεδόν κανείς. Ο άνθρωπος έχει εφεύρει πολλές συσκευές, οι οποίες κάνουν τη ζωή του ευκολότερη. Ξεκίνησε µε έναν ανεµόµυλο, προχώρησε στο αεροπλάνο και κατέληξε στον υπολογιστή. Συσκευές οι οποίες κάνουν τη δουλειά σας ευκολότερη ή την κάνουν για σας εξολοκλήρου, ονοµάζονται µηχανές από τεχνικής απόψεως. Παραδείγµατα -µετακίνηση φορτίων = φορτηγό, αυτοκίνητο, εκσκαφέας -κατασκευή υλικών = µπετονιέρα, µίξερ -µετατροπές ενέργειας = ηλεκτρικό µοτέρ -επεξεργασία δεδοµένων = υπολογιστής Η µηχανική έχει να κάνει µε δυνάµεις και επιδράσεις επί υλικών σωµάτων και χωρίζεται σε διάφορους τοµείς, όπως κινητική, στατική, δυναµική, θερµοδυναµική κ.ά. Εµείς θα ασχοληθούµε µε δύο τοµείς: δυναµική και στατική. Από τα αρχαία χρόνια, οι επιστήµονες µελετούσαν τον τοµέα της µηχανικής. Αργότερα οι κατασκευαστές των καθεδρικών ναών, χτίζοντας όλο και ψηλότερες εκκλησίες, πειραµατίστηκαν µε την ισορροπία των δυνάµεων φτάνοντας στα όρια. Σήµερα οι πολιτικοί µηχανικοί κάνουν τους υπολογισµούς για την σταθερότητα των κτιρίων. Το επάγγελµά τους βασίζεται στο κοµµάτι της µηχανικής που ονοµάζουµε στατική. Αργότερα θα µάθετε πιο πολλά γι αυτό στο σχετικό κεφάλαιο. Οποτεδήποτε µηχανές ή ρουλεµάν τίθενται σε κίνηση, τότε δρουν δυναµικά. Η δυναµική περιγράφει την αλλαγή των µεταβλητών της κίνησης, για παράδειγµα την περιστροφή ενός άξονα, τις παλινδροµικές κινήσεις ή τη µετάδοση της κίνησης. Έτσι η δυναµική είναι η επιστήµη των αλλαγών στην κίνηση. Θα καταλάβετε και περισσότερες λεπτοµέρειες στα κεφάλαια που ακολουθούν. 1. Το ηλεκτρικό µοτέρ Ένα µοτέρ είναι µια συνήθης πηγή ενέργειας (κίνησης) για µια µηχανή. Σήµερα υπάρχουν βασικά δύο είδη µοτέρ: το εσωτερικής καύσεως και το ηλεκτρικό. Για παράδειγµα, ένα αυτοκίνητο κινείται από ένα µοτέρ εσωτερικής καύσεως. Φυσικά είναι αδύνατον να συµπεριληφθεί ένα τέτοιο πολύπλοκο µοτέρ στο κουτί που κρατάτε, αλλά περιλαµβάνεται ένα ηλεκτρικό µοτέρ που από δω και πέρα για συντοµία θα το καλούµε µοτέρ. Τέτοια µοτέρ είναι κινητήριος δύναµη για τις περισσότερες καθηµερινές µηχανές, όπου η ηλεκτρική ενέργεια είναι προσιτή. Το µοτέρ που παρέχουµε έχει πολύ υψηλό αριθµό στροφών ανά λεπτό (RPM), κάτι που σηµαίνει ότι γυρίζει τόσο γρήγορα που οι περιστροφές δεν είναι ορατές µε γυµνό µάτι. Παρόλ αυτά είναι πολύ "αδύναµο" που σηµαίνει ότι δεν µπορεί να σηκώσει κάποιο βάρος ή να κινήσει κάποιο όχηµα. Για να µειώσετε τις στροφές και να το κάνετε δυνατότερο, θα χρειαστείτε ένα κιβώτιο ταχυτήτων. 2. Ζεύγος σκωληκοειδών γραναζιών Ένα ζεύγος σκωληκοειδών γραναζιών είναι το καταλληλότερο για τη µείωση των στροφών του µοτέρ. Για να επιτευχθεί αυτό, ένα τέτοιο γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του µοτέρ, ο οποίος εξέχει από το περίβληµά του. Το γρανάζι αυτό κινεί ένα οδοντωτό γρανάζι. Τέτοια µετάδοση κίνησης χρησιµοποιείται όταν υψηλές στροφές πρέπει να µειωθούν σε µικρό χώρο.
Το ζεύγος αυτών των γραναζιών είναι αυτοασφαλιζόµενο που σηµαίνει ότι κλειδώνει µη µπορώντας να κινηθεί ανάποδα. Οι γερανοί χρησιµοποιούν τέτοια συστήµατα µετάδοσης, καθώς το κλείδωµα των γραναζιών δεν επιτρέπει την αντιστροφή της κίνησης υπό το βάρος του αναρτηµένου φορτίου. -Φτιάξτε το µοντέλο της µπάρας. -Με τη µανιβέλα σηκώστε τη ράβδο προς τα πάνω. Πόσες φορές πρέπει να γυρίσετε τη µανιβέλα για να έρθει η µπάρα σε κάθετη θέση; -Προσπαθήστε να κατεβάσετε τη µπάρα µε το δάχτυλό σας. Τι συµβαίνει; Βλέπετε πώς δουλεύει το ασφαλιζόµενο κιβώτιο µετάδοσης. Με τη µικρή µανιβέλα άνετα σηκώσατε τη µεγάλη µπάρα και από την άλλη είναι δύσκολο να κατέβει ακόµα και µε την εφαρµογή επιπλέον δύναµης. Το ζεύγος σκωληκοειδών γραναζιών έχει πολλά πλεονεκτήµατα: -εξοικονοµεί χώρο -υποπολλαπλασιάζει τις στροφές στις οποίες µεταδίδεται η κίνηση -δεν αντιστρέφεται η φορά της κίνησης -µεγαλώνει τη δύναµη -αλλάζει την κατεύθυνση της κίνησης κατά 90 Ο συγκεκριµένος µηχανισµός χρησιµοποιείται σε αρκετές µηχανές. Ένα απλό παράδειγµα είναι το επόµενό σας µοντέλο. Η περιστρεφόµενη πλατφόρµα Για αυτό το µοντέλο, οι στροφές ανά λεπτό θα µειωθούν και η κατεύθυνση της περιστροφής θα αλλάξει. Η αντίσταση της φορτωµένης περιστρεφόµενης πλατφόρµας δεν πρέπει να σταµατά το µοτέρ. -Φτιάξτε την περιστρεφόµενη πλατφόρµα -Βάλτε ένα δοχείο κατάλληλου µεγέθους γεµάτο µε χώµα ή νερό πάνω στην πλατφόρµα. Μπορεί το µοτέρ να περιστρέψει το δοχείο; 3.Μετάδοση µε οδοντωτά γρανάζια Σε αυτό το κεφάλαιο θα µάθετε περισσότερα για τα κιβώτια µετάδοσης µε οδοντωτά γρανάζια. Τα τελευταία είναι από τα παλαιότερα χρησιµοποιούµενα και ανθεκτικά στοιχεία µιας µηχανής. Υπάρχουν διάφοροι τύποι και µεγέθη. Θα επικαλεστούµε πάλι ένα πολύ οικείο σε όλους παράδειγµα τέτοιου τύπου µετάδοσης,το ποδήλατό σας. Μόνο που εδώ τα "οδοντωτά γρανάζια" συνδέονται µε µια αλυσίδα και έχουν την αντίστοιχη µορφή. Χρησιµοποιώντας αυτή τη µετάδοση, είναι εφικτή η µετάδοση και µετατροπή κυκλικών κινήσεων. Συγκεκριµένα, µπορείτε να µεταδώσετε κυκλική κίνηση, να αλλάξετε τις στροφές/λεπτό, να αυξοµειώσετε τη δύναµη περιστροφής και να αλλάξετε τον άξονα περιστροφής. Στις επόµενες κατασκευές θα δηµιουργήσετε µετάδοση µε επιµήκη οδοντωτά κυλινδρικά γρανάζια. Τα τελευταία χρησιµοποιούνται αν η µετάδοση της κυκλικής κίνησης γίνεται σε έναν παράλληλο άξονα. -Φτιάξτε το γρανάζι-µανιβέλα 1 -Γυρίστε τη µανιβέλα µια φορά. Πόσες φορές γύρισε ο προσαρτηµένος στο δεύτερο γρανάζι άξονας; -Γυρίστε τη µανιβέλα µε τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Προς ποια κατεύθυνση γυρίζει ο δεύτερος άξονας;
Εάν θέλετε να κινήσετε ένα όχηµα µε αυτόν τον τρόπο, θα κινούνταν πολύ αργά. Επίσης, θα κινούνταν προς τα πίσω. Αυτή η κατασκευή είναι µόνο για να δείτε πώς φτιάχνεται µια απλή µετάδοση αυτού του τύπου και να γίνουν κάποιοι βασικοί υπολογισµοί. -Φτιάξτε το γρανάζι-µανιβέλα 2 -Γυρίστε τη µανιβέλα µια φορά. Πόσες φορές γύρισε ο προσαρτηµένος στο δεύτερο γρανάζι άξονας; -Γυρίστε τη µανιβέλα µε τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Προς ποια κατεύθυνση γυρίζει ο δεύτερος άξονας; Αν ήταν να κινήσετε ένα όχηµα µε αυτόν τον τρόπο, θα κινούνταν κάπως ταχύτερα από την πρώτη σας κατασκευή. Οχήµατα Τώρα έχετε µάθει αρκετά για τα συστήµατα µετάδοσης και µπορείτε να τα εφαρµόσετε σε ένα µοντέλο. Φτιάξτε το όχηµα 1. Με το µοτέρ και το σύστηµα µετάδοσης έχετε ένα πλήρες σύστηµα προώθησης για ένα όχηµα. Για να πάτε ακόµα πιο γρήγορα, φτιάξτε το όχηµα 2. Τώρα η κίνησή σας είναι 1,5 φορά γρηγορότερη από ό,τι πριν. Αλλά αυτή η µετάδοση έχει πρόβληµα να ανέβει σε ένα βουνό. Το όχηµα 3 έχει µια "ανάποδη" µετάδοση σε σύγκριση µε το όχηµα 2. Πώς αλλάζει η ταχύτητά του σε σχέση µε τα άλλα µοντέλα; Με τα τρία οδοντωτά γρανάζια φτιάξατε µια µετάδοση µε λόγο 1:1 µε τις ίδιες στροφές/λεπτό και την ίδια ροπή. Το δεύτερο µοντέλο σας έχει λόγο µετάδοσης 1:1,5 και µειωµένη ροπή. Αυτό σηµαίνει ότι είναι Γρηγορότερο, αλλά έχει λιγότερη "δύναµη". Το όχηµα 3 έχει λόγο 2:1 και πάει πιο αργά από τα άλλα δύο και γι αυτό αποκαλείται ο ρυθµός αυτός "ρυθµός µείωσης". Αυτός ο τύπος µετάδοσης έχει το πλεονέκτηµα ότι έχει υψηλότερη ροπή. Αυτό χρησιµοποιείται π.χ. σε ένα τρακτέρ. Ταξιδεύει πολύ πιο αργά από ένα αυτοκίνητο, αλλά έχει πολύ µεγαλύτερη δύναµη. Πιθανόν να γνωρίζετε όλους τους ρυθµούς µετάδοσης από το ποδήλατό σας. Χρησιµοποιείτε το µεγάλο γρανάζι όταν είναι να προχωρήσετε µε ταχύτητα στην ευθεία, αλλά πάνω στο βουνό σίγουρα αλλάζετε σε µικρότερη µετάδοση 1:1 ή αν η κλίση είναι πολύ µεγάλη και 2:1. Εάν υπάρχει µεγαλύτερη απόσταση ανάµεσα σε δύο άξονες, τότε χρησιµοποιείτε ειδικό κιβώτιο, για να γεφυρώσει την απόσταση. Ιµάντες ή αλυσίδες παρεµβάλλονται, συνδέοντας το γρανάζι που κινείται µε το γρανάζι στο οποίο µεταδίδεται η κίνηση, όταν απέχουν πολύ µεταξύ τους, αποτελώντας το συνδετικό κρίκο µεταξύ των µηχανικών µερών. -Φτιάξτε ένα αντίγραφο του οχήµατος µε την πρόωση µέσω αλυσίδας αρχικά µόνο µε µια µανιβέλα αντί για µοτέρ. -Γυρίστε τη µανιβέλα µια φορά. Πόσες φορές γυρίζει το γρανάζι; -Γυρίστε τη µανιβέλα µε τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Προς ποια κατεύθυνση γυρίζει το γρανάζι; Έχετε τέτοιο σύστηµα µετάδοσης στο ποδήλατό σας. Η απόσταση ανάµεσα στο πεντάλ και τον πίσω τροχό καλύπτεται από την αλυσίδα. Σε ένα ποδήλατο αγώνων ή ανώµαλου δρόµου έχετε φυσικά πολλούς ρυθµούς µετάδοσης ή αλλιώς "ταχύτητες" για να επιλέξετε. Αυτό σηµαίνει ότι µπορείτε να ρυθµίσετε την ταχύτητά σας ανάλογα µε την απαιτούµενη δύναµη και τις στροφές ανά λεπτό. Εγκαταστήστε τώρα το µοτέρ στο όχηµά σας αντί για τη µανιβέλα. Έτσι ακριβώς δουλεύει η µετάδοση σε ένα µοτοποδήλατο ή µοτοσικλέτα. Φυσικά τώρα µπορείτε να φτιάξετε τη δική σας µοτοσικλέτα από τα µέρη της fischertechnik που έχετε στη διάθεσή σας.
Οχήµατα µε τιµόνι Τα διάφορα µοντέλα αναδεικνύουν πόσο σηµαντικός είναι ο σωστός ρυθµός µετάδοσης για τους διάφορους τύπους οχηµάτων και κλίµακες ταχυτήτων. Προκειµένου το όχηµά σας να µην ταξιδεύει µόνο προς µια κατεύθυνση, θα πρέπει να έχει τιµόνι. Φτιάξτε το µοντέλο του οχήµατος µε τιµόνι. Αυτό το σύστηµα είναι το παλαιότερο που έχει κατασκευάσει ο άνθρωπος. Οι Κέλτες που το ανακάλυψαν πρώτοι, το χρησιµοποιούσαν στις άµαξές τους για να γυρίζουν τον µπροστινό τροχό και άρα όλο το όχηµα. Ακόµα και σήµερα αυτό το σύστηµα χρησιµοποιείται σε τρείλερ, καρότσια και άµαξες. Αποτελείται από ένα φορέα σε µορφή σκαµνιού για τον άξονα και τους τροχούς. Αυτός είναι συνδεδεµένος µε µια περιστρεφόµενη ακίδα πάνω στην άµαξα, συνήθως στο πάτωµα ή το σασί. Το σύστηµα στριψίµατος ελέγχεται είτε µε έναν περιστρεφόµενο µοχλό είτε ακόµα και µε τα πόδια ή δύο σχοινιά (δείτε σχετικό σχήµα στη σελ. 26 του φυλλαδίου δραστηριοτήτων). Κιβώτια µετάδοσης µε πολλά γρανάζια Με την ακόλουθη κατασκευή επεκτείνετε την απλή µετάδοση µέσω οδοντωτών γραναζιών σε πολλαπλής επιλογής µετάδοση. Έτσι αναπτύσσονται τα κιβώτια ταχυτήτων στα αυτοκίνητα, τα τρυπάνια ή τις µοτοσικλέτες. Αυτό το µοντέλο µε τη χρήση πολλών γραναζιών έχει σύνθετο κιβώτιο, δηλαδή αποτελείται από περισσότερα από δύο γρανάζια. Πειραµατιστείτε µε τη µετάδοση που επιτυγχάνεται από ζεύγη γραναζιών τοποθετηµένων σε σειρά. -Φτιάξτε το µοντέλο του κιβωτίου ταχυτήτων -Ανοίξτε το µοτέρ και µετακινήστε το µοχλό επιλογής ταχύτητας από την πρώτη στην τρίτη -Σιγουρευτείτε ότι τα δόντια των γραναζιών µπαίνουν το ένα µέσα στο άλλο τέλεια -Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας Αυτό το κιβώτιο στην 3η ταχύτητα µεταδίδει στην αντίθετη φορά από ό,τι στην 1η ή 2η. Αυτό γίνεται επειδή είναι στη σειρά τρία γρανάζια. Όταν υπάρχει µονός αριθµός γραναζιών στη σειρά, τότε το γρανάζι στο οποίο καταλήγει η κίνηση έχει αντίθετη φορά περιστροφής από την αρχική. Αυτό χρησιµοποιείται σε ένα αυτοκίνητο για να βάλει όπισθεν. Άλλα πειράµατα. -Φτιάξτε το δικό σας µοντέλο µε διάφορους συνδυασµούς οδοντωτών γραναζιών σε σειρά -Αντικαταστήστε την κυκλική πλατφόρµα µε ένα ελικοειδές τύµπανο. Τώρα έχετε ένα βαρούλκο, όπως ο γερανός, για την ανύψωση βαριών φορτίων. Μπορείτε να βάλετε πιο πολλές ταχύτητες στο κιβώτιο σας; Πειραµατιστείτε µε τα γρανάζια στο κουτί της fischertechnik. 4.Το «πλανητικό» σύστηµα µετάδοσης Ένα "πλανητικό" κιβώτιο είναι ένας πολύπλοκος µηχανισµός µε πολλά γρανάζια διαφόρων ειδών. Χρησιµοποιείται σε πολλούς τοµείς, όπως στα αυτόµατα κιβώτια ταχυτήτων ή στους αναδευτήρες. -Φτιάξτε το "πλανητικό" κιβώτιο -Γυρίστε τη µανιβέλα, δίνοντας κίνηση, και παρατηρήστε ποιοι άξονες, οδοντωτοί τροχοί και συνδυασµοί αυτών γυρίζουν µε τη µανιβέλα. Χρησιµοποιώντας το ολισθαίνον τµήµα του λεβιέ του µοντέλου σας, µπορείτε να σταµατήσετε τον κοίλο τροχό ή το φορέα\, έτσι ώστε το ένα από τα δύο µέρη του µηχανισµού να µην µπορεί να περιστραφεί.
Ο σκοπός αυτής της διάταξης είναι απλός. Επιτρέπει την αλλαγή του λόγου µετάδοσης υπό φόρτο, χωρίς δηλαδή την αποµόνωση του κιβωτίου από την πρόωση. Λόγω των εσωτερικών δοντιών του κοίλου τροχού, οι οδοντωτοί τροχοί είναι κατανεµηµένοι σε ιδιαίτερα σφιχτή διάταξη. Για την ανάποδη ταχύτητα, δεν χρειάζεται επιπρόσθετος άξονας. Στην πιο απλή περίπτωση, η "πλανητική" µετάδοση αποτελείται από το γρανάζι-ήλιο (1), τους πλανητικούς τροχούς (2), τον πλανητικό φορέα (3) και τον κοίλο τροχό (4). Το γρανάζι-ήλιος, όπως αποκαλείται λόγω του οδοντωτού σχήµατος και της κεντρικής του θέσης, ενώνεται µέσω των πλανητικών τροχών µε την εσωτερική οδόντωση ενός κοίλου τροχού. Το όλο σύστηµα µπορεί να µεταδώσει πρόωση, να δεχτεί πρόωση ή να ακινητοποιηθεί. Για να δοκιµάσετε το συγκρότηµα µετάδοσης ικανοποιητικά, έχετε το λεβιέ που ολισθαίνει. Χωρίς πρόσθετο γρανάζι, µπλοκάροντας το φορέα (3), µπορείτε να ρυθµίσετε το σύστηµα, ώστε η µετάδοση να γίνεται µια από το φορέα (3) και µια από τον κοίλο τροχό (4). Αυτή η διαδικασία χρησιµοποιείται από την αυτοκινητοβιοµηχανία για την αλλαγή στην όπισθεν. Για να γίνει αυτό, η πρόωση συνδέεται στο γρανάζι-ήλιο και ο άξονας µετάδοσης στον κοίλο τροχό (η αρίθµηση αφορά στο σχέδιο στη σελ. 28 του φυλλαδίου δραστηριοτήτων). Ελέγξτε τα χαρακτηριστικά του συστήµατος µετάδοσης σας, πρώτα ακινητοποιώντας το φορέα και δίνοντας την πρόωση µέσω του κοίλου τροχού, και κατόπιν το αντίστροφο. 5. Η µετάδοση τύπου «Bevel» Με τη µετάδοση "Bevel", θα δείτε µια πραγµατικά απλή αλλά αποτελεσµατική διάταξη. -Φτιάξτε το µοντέλο του συστήµατος µετάδοσης -Παρατηρήστε πώς οι στροφές ανά λεπτό, η κατεύθυνση της κίνησης και η ροπή αλλάζουν. Το σύστηµα αυτό απλώς αλλάζει την κατεύθυνση της περιστροφής κατά 90. Οι στροφές ανά λεπτό και η ροπή είναι σταθερά. Οικιακός αναδευτήρας (µίξερ) Αυτό το µοντέλο συνδυάζει τη µετάδοση "Βevel" µε την πλανητική. Φτιάξτε το σύµφωνα µε τις οδηγίες. Η συσκευή αυτή είναι µοντέλο πραγµατικά απαιτητικό αλλά και αποτελεσµατικό. Σας είναι οικείοι όλοι οι τύποι γραναζιών και οι τύποι µεταδόσεως που αλληλεπιδρούν εδώ; Μπορείτε να κάνετε ενδιαφέρουσες παραλλαγές αυτού του µοντέλου. Αλλάξτε το σύµφωνα µε τη φαντασία σας. Μπορείτε να βάλετε και ένα ποτήρι στη βάση και να αναδεύσετε το περιεχόµενό του. ιαφορικό Το διαφορικό είναι πάντα απαραίτητο για ένα όχηµα µε πολλούς τροχούς, όπως π.χ. ένα αυτοκίνητο.το διαφορικό έχει δύο σκοπούς. Αφενός τη µετάδοση της κίνησης σε δύο άξονες και αφετέρου τον έλεγχο της διαφοράς σε στροφές / λεπτό µεταξύ των δύο αυτών τµηµάτων. Με αυτή τη λειτουργία, το διαφορικό χρησιµοποιείται σε δύο σηµεία. Το αξονικό διαφορικό χρησιµοποιείται επί του άξονα για τη µεταφορά της δύναµης στους δύο τροχούς. Το κεντρικό διαφορικό είναι τοποθετηµένο µεταξύ των αξόνων, για να µοιράζει τη δύναµη ανάµεσά τους. -Φτιάξτε το µοντέλο του διαφορικού -Παρατηρήστε πώς οι στροφές/λεπτό, η διεύθυνση της κίνησης και η ροπή αλλάζουν µε αυτό το µοντέλο
-Κρατήστε µια το ένα και µια το άλλο ακίνητα τα γρανάζια που δέχονται τη µετάδοση, καθώς και το στρεφόµενο σώµα που βρίσκεται στο κέντρο Το διαφορικό φαίνεται σαν ένα µαγικό σύστηµα µετάδοσης. Χρησιµοποιείται κυρίως στα αυτοκίνητα. Όταν ένα αυτοκίνητο κινείται σε στροφή, ο εξωτερικός τροχός διανύει µεγαλύτερη απόσταση από τον εσωτερικό. Χωρίς το διαφορικό, τα ελαστικά θα "τρίβονταν" στο δρόµο και θα φθείρονταν πιο γρήγορα. Το διαφορικό στον άξονα έχει ένα επιπλέον καθήκον: µοιράζει τη ροπή εξίσου και την µεταδίδει στους τροχούς. Γρύλος (αυτοκινήτου) Υπάρχουν περιπτώσεις που πρέπει να σηκωθούν µεγάλα φορτία. Για παράδειγµα, όταν έχετε ένα σκασµένο λάστιχο. Για φανταστείτε να έπρεπε να σηκώσετε οι ίδιοι το αυτοκίνητο, για να το αλλάξετε. Φυσικά αυτό δε γίνεται. Γι αυτό υπάρχει ο γρύλος. Με τη χρήση του το σήκωµα του αυτοκινήτου γίνεται εύκολα από οποιονδήποτε. Το κόλπο είναι µια διάταξη µε βάση έναν ελικοειδή άξονα µε χαρακτηριστικά παρόµοια µε το σκωληκοειδές γρανάζι. -Φτιάξτε το µοντέλο του γρύλου -Γυρίστε τη µανιβέλα µια φορά και παρατηρήστε πόσο ανεβαίνει ο ανυψούµενος βραχίονας. -Πιέστε το βραχίονα. Περιστρέφεται ο ελικοειδής άξονας ανάποδα; Μπορείτε να βρείτε δυο λόγους που χρησιµοποιούµε αυτή τη διάταξη; Για να ανεβάσετε το βραχίονα σε οριζόντια θέση, γυρίσατε τη µανιβέλα λίγες φορές και φυσικά ήταν αδύνατον να πιέσετε το βραχίονα προς τα κάτω! Η διάταξη µε τον ελικοειδή άξονα έχει πολλά πλεονεκτήµατα: -Μειώνει τις στροφές / λεπτό της πρόωσης κατά πολύ -Ασφαλίζει αυτόµατα -Αυξάνει τη δύναµη της πρόωσης Η πλατφόρµα µε «ψαλίδια» Η πλατφόρµα που ανεβοκατεβαίνει µε τη χρήση διάταξης "ψαλιδιών" µας δείχνει πως µια περιστροφική κίνηση µετατρέπεται σε παράλληλη πάνω-κάτω µε τη βοήθεια ενός ελικοειδούς άξονα, συνδέσµων και µοχλών. -Φτιάξτε την πλατφόρµα µε "ψαλίδια" -Βάλτε ένα κύπελλο µε νερό επάνω -Πώς κινείται η πλατφόρµα όταν γυρίζετε τη µανιβέλα; Ο ελικοειδής άξονας κινεί τον ένα σύνδεσµο µπρος-πίσω ανάλογα µε τη φορά περιστροφής της µανιβέλας. Μέσα από το σύνδεσµο, αυτή η κίνηση µετατρέπεται σε κατακόρυφη κίνηση της πλατφόρµας. Επειδή µάλιστα οι δύο σύνδεσµοι έχουν κοινό άξονα περιστροφής, η κίνηση γίνεται παράλληλα µε τον ελικοειδή άξονα και άρα παράλληλα µε το έδαφος. Και οι δύο κινούνται δε κατά το ίδιο διάστηµα, όπως τα ψαλίδια. Έτσι πήρε και την ονοµασία του αυτός ο µηχανισµός.
Lathe Αυτό το τελευταίο µοντέλο έχει δύο ελικοειδείς άξονες. Είναι µοντέλο για προχωρηµένους και εδώ αλληλεπιδρούν οι δύο ελικοειδείς άξονες. Μπορείτε να φανταστείτε γιατί χρησιµοποιούνται δύο; 6.Υαλοκαθαριστήρας Ξέρετε πώς δουλεύει ένας υαλοκαθαριστήρας; Το µοντέλο που ακολουθεί το εξηγεί. Εδώ µια κυκλική κίνηση µετατρέπεται σε µια παλινδροµική κίνηση. Για να γίνει αυτό, χρειάζεται µια µανιβέλα. Γι αυτό η διάταξη αυτή ονοµάζεται "λικνιζόµενη µανιβέλα". Μετατρέπει µια κυκλική σε µια επιµήκη κίνηση µε τη χρήση µιας διάταξης που ονοµάζεται "αλληλουχία τεσσάρων συνδέσµων". Όπως υποδηλώνει το όνοµά της, αποτελείται από τέσσερις διαδοχικούς "συνδέσµους", σηµεία δηλαδή γύρω από τα οποία κάτι µπορεί να περιστρέφεται. Οι διατάξεις αυτές παρουσιάζονται παραστατικά στα διαγράµµατα της σελ.32 του φυλλαδίου δραστηριοτήτων. -Φτιάξτε την αλληλουχία τεσσάρων συνδέσµων -Παρατηρήστε πώς αλληλεπιδρούν τα διάφορα µέρη -Ποια µέρη κινούνται και ποια όχι; Το πλαίσιο είναι σταθερό και απορροφά τις κινήσεις. Η µανιβέλα πρέπει να είναι ελεύθερη να κάνει πλήρεις περιστροφές και η συνδετική ράβδος µεταφέρει την κίνηση στο λικνιζόµενο µέρος. Το τελευταίο κινείται σε ένα τόξο, καθώς είναι στερεωµένο πάνω στο πλαίσιο. Για να λειτουργεί η µετάδοση, θα πρέπει ο λόγος των µηκών των τεσσάρων µερών της διάταξης να είναι συγκεκριµένος. 7.Σιδηροπρίονο Οι ιδιότητες της λικνιζόµενης διάταξης την κάνουν κατάλληλη για διάφορες εφαρµογές. Για πολύ καιρό το µηχανικό σιδηροπρίονο ήταν µεγάλη βοήθεια για τους κατασκευαστές µεταλλικών αντικειµένων. Η απλή του κατασκευή βοηθά στην καλύτερη κατανόηση του µηχανισµού του. Με αυτό το είδος µετάδοσης, µια κυκλική κίνηση µετατρέπεται σε επιµήκη παλινδροµική κίνηση. Τα σηµεία πέρα από τα οποία το πριόνι δεν µπορεί να κινηθεί, ονοµάζονται Τ1 και Τ2 (δείτε σχήµα στη σελ.33 του φυλλαδίου δραστηριοτήτων). -Φτιάξτε το µοντέλο του σιδηροπρίονου -Μετρήστε την κίνηση του πριονιού 8.Ζυγαριές Τέσσερις χιλιάδες χρόνια πριν, για να καθορίσουν την αξία ενός αντικειµένου, η ποσότητα του αντικειµένου συγκρινόταν µε κάποιο βάρος αναφοράς. Αυτό γινόταν µε τη χρήση µιας ζυγαριάς, µε την οποία µετρούσαν την ισορροπία των δυνάµεων δύο βαρών. Στο µοντέλο σας, πρόκειται για µια δοκό στερεωµένη σε ένα κέντρο περιστροφής µε δύο δοχεία στις άκρες. Όταν οι δυνάµεις είναι σε ισορροπία, θα πρέπει και οι δύο δείκτες στο κέντρο να είναι στοιχισµένοι. -Φτιάξτε το µοντέλο της ζυγαριάς -Βάλτε δύο ίδια αντικείµενα στα δοχεία. ουλεύει ικανοποιητικά; -Τώρα βρείτε δύο διαφορετικά αντικείµενα, τα οποία έχουν κατά τη γνώµη σας το ίδιο βάρος. -Βάλτε τα στα δοχεία. Πέσατε µέσα;
Η ζυγαριά αυτή δουλεύει σύµφωνα µε την αρχή των µοχλών ιδίου µήκους. Ένας µοχλός είναι µια ευθεία δοκός στερεωµένη κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να µπορεί να περιστρέφεται και επί της οποίας δρουν δύο δυνάµεις. Οι αποστάσεις ανάµεσα στα σηµεία εφαρµογής των δυνάµεων και του κέντρου περιστροφής καλούνται µοχλοβραχίονες. Και οι δύο πλευρές εκατέρωθεν του κέντρου είναι ίσου µήκους και βάρους, ακριβώς όπως συµβαίνει και στη γνωστή σε όλους τραµπάλα. Ζυγαριά µε ολισθαίνον βάρος Θα πρέπει να έχετε αρκετή υποµονή αν ψάχνετε µε το προηγούµενο µοντέλο να βρείτε δύο ίδια βάρη, για να ισορροπήσει η ζυγαριά. Γι αυτό το λόγο αναπτύχθηκε η ζυγαριά µε ολισθαίνον βάρος. Αυτή η ζυγαριά λειτουργεί µε τον ίδιο σχεδόν τρόπο, αλλά εκµεταλλεύεται και τη ροπή. Από τη µια πλευρά του κέντρου περιστροφής υπάρχει ο δυναµικός βραχίονας και από την άλλη ο βραχίονας ανύψωσης. Όσο πιο έξω βρίσκεται το ολισθαίνον βάρος, τόσο µεγαλύτερη είναι η ροπή άρα και η δύναµη. -Φτιάξτε τη ζυγαριά µε το ολισθαίνον βάρος -Μετακινήστε το βάρος ώστε να ισορροπεί µε το δοχείο άδειο. Ο δείκτης στη µέση σας βοηθά να το πετύχετε -Βάλτε ένα βάρος στο δοχείο και ισορροπήστε τη ζυγαριά χρησιµοποιώντας το ολισθαίνον βάρος Για να ισορροπήσει, το άθροισµα των ροπών µε φορά αυτήν του ρολογιού και των ροπών µε αντίθετη φορά πρέπει να είναι ίσα. Αυτό φαίνεται πολύπλοκο, αλλά δεν είναι και τόσο. Οι δύο βραχίονες εκατέρωθεν του κέντρου περιστροφής δεν χρειάζεται να έχουν το ίδιο µήκος ή βάρος. Αυξοµειώνοντας την απόσταση που είναι τα βάρη αναρτηµένα, η ζυγαριά µπορεί να ισορροπήσει. 9. Τροχαλίες / Ανυψωτικοί µηχανισµοί Φανταστείτε να χρειαζόταν να σηκώσετε κάποιον φίλο που έχει περίπου το ίδιο βάρος µε σας. Θα χρειαζόταν µεγάλη προσπάθεια. Αν χρησιµοποιούσατε µια τροχαλία κρεµασµένη στο ταβάνι και σχοινί, θα βοηθούσε για να κρατήσετε το βάρος, όχι όµως ιδιαίτερα στο να το σηκώσετε. Οι ανυψωτικοί µηχανισµοί που αποτελούνται από δύο ή και περισσότερες τροχαλίες, κάνουν τη δουλειά αυτή πολύ πιο εύκολη. Ανυψωτική διάταξη µε δύο τροχαλίες Φτιάξτε την διάταξη µε δύο τροχαλίες, µια σταθερή και µια ελεύθερη Κρεµάστε ένα βάρος Τραβήξτε το σχοινί ώστε το βάρος να ανέβει 10 εκ.. Χρειαστήκατε πολύ δύναµη αναλογικά µε το βάρος? Καταγράψτε τις παρατηρήσεις σας. Με αυτή τη διάταξη απαιτείτε η µισή δύναµη για την ανύψωση του βάρους. Τι γίνεται όµως µε την απόσταση που τραβάµε το σχοινί? Ανυψωτική διάταξη µε τρεις τροχαλίες -Επεκτείνετε το προηγούµενο µοντέλο µε τρεις τροχαλίες -Συµβουλευτείτε τις οδηγίες στο εγχειρίδιο κατασκευής -Τραβήξτε και πάλι το σχοινί και µετρήστε πόσο πρέπει να τραβηχτεί για να σηκωθεί το βάρος 10 εκ. Χρειαστήκατε την ίδια δύναµη; -Καταγράψτε τα αποτελέσµατα και κάντε τη σύγκριση Τώρα που κατανοήσατε πώς δουλεύει η ανυψωτική διάταξη, µπορείτε να φτιάξετε µια µε τέσσερις τροχαλίες. Επιπροσθέτως, ένα µοτέρ µπορεί να ασκεί τη δύναµη αντί για εσάς.
Ανυψωτική διάταξη µε τέσσερις τροχαλίες -Επεκτείνετε το µοντέλο µε µια τέταρτη τροχαλία και µοτέρ. -Κρεµάστε ένα µεγάλο σχετικά βάρος, π.χ. ένα πορτοφόλι γεµάτο κέρµατα. Μπορεί το µοτέρ να τα σηκώσει; Για να γίνει δυνατή η ανύψωση µεγάλων φορτίων µε λίγη δύναµη, πρέπει να χρησιµοποιήσουµε διατάξεις µε 2, 4 ή 6 τροχαλίες. Εάν θεωρήσουµε αµελητέο το βάρος του µηχανισµού και τις τριβές, η ανυψωτική διάταξη υποπολλαπλασιάζει την απαιτούµενη δύναµη για την ανύψωση του βάρους στο µισό, ένα τέταρτο ή ένα έκτο αντίστοιχα. Στη συγκεκριµένη περίπτωση, το µοτέρ πρέπει να σηκώσει το ένα τέταρτο του βάρους. Φυσικά υπάρχει και ένα µειονέκτηµα: το σχοινί θα πρέπει να τραβηχτεί για την τετραπλάσια απόσταση, δηλ. 40 εκ. Η Φυσική βοηθά στην κατανόηση της λειτουργίας αυτών των διατάξεων και έχει µάλιστα και σχετικό κανόνα. "Το έργο δεν µπορεί να εξοικονοµηθεί. Ό,τι γλιτώνουµε σε δύναµη, το χάνουµε σε χρόνο και απόσταση." 10.Ο κόσµος της στατικής. Η στατική µελετά της συνθήκες κάτω από τις οποίες οι δυνάµεις που επιδρούν σε ένα σώµα είναι σε ισορροπία. Αυτό κάνει τη στατική απαραίτητη για όλες τις κατασκευές, όπως σπίτια ή γέφυρες. ιάφορες δυνάµεις δρουν επί των κατασκευών που µελετά η στατική. Το βάρος της ίδιας της κατασκευής αποκαλείται "νεκρό" βάρος. Το βάρος των ανθρώπων ή αντικειµένων που περιστασιακά βρίσκονται στην κατασκευή ονοµάζεται "κινούµενος φόρτος". Τραπέζι Το τραπέζι σας είναι ένα στατικό αντικείµενο. Κουβαλά το ίδιο του το βάρος αλλά και το βάρος των αντικειµένων που τοποθετείτε πάνω του. Για να σηκώσει όλα αυτά, χρειάζεται µια ειδική κατασκευή. -Φτιάξτε το τραπέζι -Βεβαιωθείτε ότι οι διαγώνιοι δοκοί είναι σωστά τοποθετηµένοι -Πρώτα βάλτε ένα φορτίο πάνω στο τραπέζι, µετά πιέστε το από το πλάι. Τέλος πιέστε ένα από τα πόδια του. Τι συµβαίνει σε κάθε περίπτωση; Τα στατικά χαρακτηριστικά του τραπεζιού σας είναι καταρχήν τα επικλινή του πόδια. Λόγω της κλίσης είναι σταθερά από δύο πλευρές. Επιπροσθέτως, η κατασκευή περιλαµβάνει και κάθετες και διαγώνιες δοκούς. Οι διαγώνιοι (κίτρινες) µεταξύ των ποδιών σταθεροποιούν την κατασκευή όσον αφορά στην πίεση που δέχεται. Αλλά η επιτοµή της στατικής είναι οι κάθετες συνδετικές δοκοί που σχηµατίζουν τρίγωνα. Αυτά τα τελευταία ονοµάζονται στατικά τρίγωνα και συναντώνται συχνά στις κατασκευές. Τα σηµεία δε που ενώνονται οι δοκοί ονοµάζονται κόµποι. -Βγάλτε τις κάθετες συνδετικές δοκούς και βάλτε ένα φορτίο στο τραπέζι. Τι συµβαίνει; -Βάλτε πίσω τις κάθετες και βγάλτε τις διαγώνιες. Βάλτε πάλι ένα φορτίο. Πόσο σταθερό είναι το τραπέζι σας τώρα; -Τώρα βγάλτε και τις κάθετες και βάλτε ένα βάρος στο τραπέζι. Τι παρατηρείτε;
11.Η διπλή σκάλα Η διπλή σκάλα έχει µια πολύ απλή στατική κατασκευή. Έχει και αυτή επικλινή πόδια ενωµένα µε κάθετες δοκούς που εξυπηρετούν και ως σκαλοπάτια. Η διπλή σκάλα αποτελείται από δυο απλές, οι οποίες είναι ενωµένες σε ένα κέντρο περιστροφής στην κορυφή. Επιπλέον, υπάρχουν και δύο δοκοί στήριξης ανάµεσα στις δύο επιµέρους σκάλες στη µέση της κατασκευής. -Φτιάξτε τη σκάλα στην αρχή χωρίς δοκούς στήριξης -Βάλτε ένα βάρος στην κορυφή πιέζοντας στο κέντρο περιστροφής και στα σκαλοπάτια. Παραµένει σταθερή; -Βάλτε τώρα και τις δοκούς στήριξης και δοκιµάστε την πάλι. Στέκεται τώρα; Η σκάλα αυτή αποτελείται από δυο ίδια µέρη συνδεδεµένα στην κορυφή µε δυνατότητα περιστροφής. Ανάλογα µε την κλίση, η σκάλα µπορεί να σταθεί χωρίς περαιτέρω στήριξη. Υπάρχει όµως ένα κρίσιµο σηµείο πέρα από το οποίο η σκάλα γλιστρά και τα δύο µέρη αποκολλώνται. Οι δοκοί στήριξης βοηθούν να αποφευχθεί αυτό. 12.Γεφυρες Μια τέλεια γέφυρα πρέπει να έχει τέσσερα χαρακτηριστικά: να είναι ασφαλής, µακριά, φτηνή και όµορφη. Με το πρώτο σας µοντέλο θα δείτε ένα κλασσικό σχέδιο. -Φτιάξτε το µοντέλο της γέφυρας -Βάλτε ένα βάρος στη µέση της. Πού θα µπορούσε να χρησιµοποιηθεί; Η συγκεκριµένη γέφυρα είναι εξαιρετική για µικρό φόρτο και µικρό µήκος. Πληροί όλα τα κριτήρια. Αν βέβαια η απόσταση ανάµεσα στις κολώνες µεγαλώσει, χάνει την ευστάθειά της. Γέφυρα µε δοκό κάτω Αυτή η γέφυρα θυµίζει από µακριά κρεµαστές γέφυρες που συνδέουν απόκρηµνα φαράγγια. Στην πραγµατικότητα δεν έχει σχεδόν τίποτα κοινό µε µια κρεµαστή γέφυρα. Θα το διαπιστώσετε πειραµατιζόµενοι µε το µοντέλο. -Επεκτείνετε την προηγούµενη κατασκευή στη γέφυρα µε δοκό κάτω. -Βάλτε ένα φορτίο στη γέφυρα βαρύτερο αυτή τη φορά. Σίγουρα έχετε διαπιστώσει ότι η γέφυρα αυτή είναι πιο σταθερή και µπορεί να αντέξει µεγαλύτερο φόρτο. Η γέφυρα µε δοκό κάτω λειτουργεί χάρη στα αντιστηρίγµατά της. Αυτού του τύπου η κατασκευή είναι κατάλληλη για µεγάλα βάρη αλλά για µικρά µήκη. Τα µεγαλύτερα µήκη επιτυγχάνονται µε κρεµαστές γέφυρες, οι οποίες όµως δεν αντέχουν µεγάλα βάρη. Έτσι, ενώ οι δύο προαναφερθείσες κατασκευές µοιάζουν οπτικά από στατικής απόψεως, δεν έχουν καµία σχέση. Γέφυρα µε δοκό άνω Μια γέφυρα µε δοκό άνω µπορεί να καλύψει µεγαλύτερες αποστάσεις σηκώνοντας µεγαλύτερα φορτία. Και αυτή κατασκευάζεται µε τη χρήση αντιστηριγµάτων, δοκών που σχηµατίζουν στατικά τρίγωνα.
-Φτιάξτε τη γέφυρα µε δοκό άνω -Βάλτε ένα φορτίο στο µέσον της γέφυρας. Πώς µεταβλήθηκε η σταθερότητά της; Αυτή η γέφυρα δέχεται πολύ µεγαλύτερα φορτία από την απλή χωρίς δοκό. Η τάση κατανέµεται όχι µόνο στο σκελετό αλλά και στα υπόλοιπα µέρη της. Η άνω δοκός αποτελείται από σταυρωτές διαγώνιους ενωµένες µε το κυρίως σώµα. Οι διαγώνιοι εµποδίζουν τη στροφή της γέφυρας. Παρατηρητήριο Εάν θέλετε να κινηθείτε προς τα πάνω, τότε το παρατηρητήριο είναι ό,τι χρειάζεστε. Η στατική βάση του είναι ένα πλαίσιο που προκύπτει από συνδεόµενα τρίγωνα. -Φτιάξτε το παρατηρητήριο σύµφωνα µε τις οδηγίες. Αναγνωρίζετε τα επιµέρους χαρακτηριστικά; Η σύνθεση στο χώρο διακριτών πλαισίων ονοµάζεται σκελετός. Οι σκελετοί χρησιµοποιούνται στην κατασκευή σπιτιών, πύργων, γεφυρών αλλά και στο µοντέλο του παρατηρητηρίου µας. Τέτοιοι σκελετοί έχουν το πλεονέκτηµα ότι δεν χρειάζεται να ενισχυθούν µε πλάκες, πέτρες ή τούβλα. Έτσι, έχουν µικρότερη αντίσταση στον αέρα. Αυτού του τύπου η κατασκευή εξοικονοµεί δοµικά υλικά παραµένοντας ταυτόχρονα σταθερή. 13.Γερανός Μπορέσατε να µαζέψετε εµπειρίες στη µηχανική και τη στατική µε τα προηγούµενα µοντέλα. Το τελικό σας µοντέλο θα ενσωµατώσει όλη αυτή την εµπειρία. Ο γερανός σας δίνει τη δυνατότητα να αναγνωρίσετε τις αλληλεπιδράσεις των µερών και να δοκιµάσετε τη στατική του αντοχή και τη δυνατότητα µεταφοράς φορτίων. -Φτιάξτε τη βάση του γερανού χρησιµοποιώντας το ζεύγος σκωληκοειδών γραναζιών. Μπορείτε να θυµηθείτε γιατί το χρησιµοποιούµε; -Κατόπιν φτιάξτε το πλαίσιο. Αναγνωρίζετε τα στατικά στοιχεία που χρησιµοποιούνται; Ο βραχίονας είναι ένα είδος µοχλού. Πώς µπορεί ο γερανός και ισορροπεί; Πώς σταθεροποιείται ο βραχίονας; Υπάρχουν αρκετά συστήµατα µετάδοσης κίνησης για την ανύψωση βαρών. -Εγκαταστήστε τα στο γερανό σας -Συγκρίνετε τη λειτουργία τους -Καταγράψτε τα αποτελέσµατα Η κορωνίδα της κατασκευής σας είναι η χρήση µιας ανυψωτικής διάταξης µε τροχαλίες. -Αναπτύξτε µια τέτοια διάταξη για το γερανό σας -Τι πρέπει να λάβετε υπόψιν σας, αν ο γερανός είναι να σηκώσει µεγάλα φορτία;