Vrid och vänd

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.
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
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
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.
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
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.
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
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.
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?