Från teknikkompendiet: Enkel rörlig mekanik

Här är utdrag ur ett kompendium jag gjorde tillsammans med min dotter 2002.

Det handlar om enkel rörlig mekanik och här är innehållet i ordning men utan sidnumrering.

En del av  modellerna är gjorda av elever och om någon skulle känna igen sin modell så hoppas jag att det är till glädje. Precis som på slöjdbloggen skriver jag aldrig namn på mina elever.

Innehållsförteckning

Enkel rörlig mekanik

Användbara tips när du ska göra egna konstruktioner

Hävstänger

Arkimedes skruv

Skvaltkvarn

En bokstav ur Polhems mekaniska alfabet

Stångjärnshammare eller vadmalsstamp

Smideshammare

Plåtgubbe som vickar på huvudet

Handdriven visp med kugghjul

Uppväxling med kugghjul i två steg

Två sätt att lagra energi

Enkel rörlig mekanik

Christopher Polhem var en svensk konstruktör och uppfinnare som levde 1661-1751. Han arbetade bland annat vid koppargruvan i Falun där han konstruerade olika maskiner. Han grundade senare en fabrik vid Stjärnsund där det tillverkades lås, klockor, jordbruksmaskiner mm. Han konstruerade också slussarna i Trollhättan.

Med hjälp av några snickare lät han tillverka ett mekaniskt alfabet; ett antal rörliga modeller i trä där man kan lära sig hur maskiner kan vara uppbyggda. En del av modellerna visade en hel maskin och en del visade bara en detalj, t ex hur en roterande kamskiva får något att röra sig upp och ner. Kamskivor finns i moderna maskiner, t ex kan man öppna och stänga en ventil i en bensinmotor med hjälp av en kamskiva och en fjäder, och kamskivor styr också mönstersömmarna i moderna symaskiner.

Många av Polhems modeller finns kvar på tekniska museet i Stockholm t ex

Jag har under mina år som tekniklärare skaffat mig ett eget Polhemskt mekaniskt alfabet. Där finns modeller som elever byggt t.ex. en skvaltkvarn och en stångjärnshammare. Det finns en del gamla leksaker och uttjänta hushållsredskap. I det här häftet finns det också bilder på utrustning som fanns på den skola där jag jobbade 2002 då häftet skrevs.

                                                 

Alla modeller finns inte i det här häftet men en hel del. Varje modell presenteras med ett foto, en enkel ritad bild och en förklarande text. Meningen är att du ska lära dig mekanikens grunder genom att titta på modellerna, vrida och vända på dem och läsa i häftet. Du får kanske också som hemuppgift av din lärare att ta reda på mer om det som finns på någon av bildsidorna. När vi arbetat med det här materialet får du en konstruktionsuppgift att med hjälp av plåtburkar, träbitar, kartonger, plast mm mm tillverka en rörlig sak som fungerar på ett visst sätt. Det arbetet gör vi oftast i skolan och då arbetar vi två och två. Du kan också få en sådan uppgift i läxa. Då är det tillåtet att ta hjälp av familjen och goda vänner. Jag sätter inte betyg på läxan, men jag vill se att du är så företagsam att du gör läxan. Med eller utan hjälp.

Du kommer att stöta på en hel del ord t ex skvaltkvarn eller stångjärnshammare eller kamaxel eller centrifugalregulator. Om du vill veta mer vad som döljer sig bakom dessa ord kan du hitta en hel del på nätet och i uppslagsböcker eller fråga hemma. Vi har också teknikböcker på skolan. I historieboken kanske du kan hitta en del också när det gäller riktigt gamla maskiner. Det är inte nödvändigt att läsa historia för att lära sig mekanik, men det kan vara roligt.

Lycka till.

Användbara tips när du ska göra egna konstruktioner

Kunskapen du kan läsa dig till här kan vara till hjälp när du ska göra dina egna konstruktioner.

Friktion

Friktion blir det om föremål glider mot varandra. Är det väldigt hög friktion kan de inte glida mot varandra. I vissa situationer vill man inte att föremål ska glida så bra mot varandra, man vill alltså att det ska vara hög friktion. Till exempel man ska bygga en bil så vill man ju inte att däcken ska slira för då kommer man inte så långt och så tar det lång tid att stanna. Bildäck görs därför av gummi som ger hög friktion mot marken. När du ska konstruera en bilmodell kan du använda dig av häftmassa för att däcken inte ska slira.

Lager

Ett lager är en anordning där en roterande axel sitter i en del som inte roterar

Kullager

Även om man smörjer ytorna så blir det mer friktion när saker glider mot varandra än om de rullar mot varandra. Man ville då ha ett lager med rullning inuti också. Därför uppfann man kullagret. I kullagret sitter en ring av kulor mellan axeln och den fasta delen.

Om du vill att hjulaxeln på till exempel en bilmodell du bygger ska rulla friare kan du sätta hjulaxeln i ett plaströr.

Spärrar

Ibland vill man bara att hjulet ska kunna rulla åt ett håll. Detta kan man fixa genom att göra lite kloliknande kuggar och ha ett spetsigt föremål emot som kan pressas utåt.

Gångjärn och kulleder

Ett vanligt gångjärn kan böjas i en riktning och det kan inte vridas. Sådana gångjärn sitter i dörrar.

Kulleder gör delarna mera rörliga. En kulled kan vridas och röras åt alla håll.

Fjädrar

Idén med fjädrar är att de är elastiska och vill återta sin ursprungliga form och längd. Därför kan man lagra energi i en fjäder. När man trycker ihop eller drar ut en fjäder vill den bli så lång som den var från början och då kan man utnyttja den kraften till att skjuta iväg ett föremål eller något annat.

Propellrar.

Propellern är konstruerad så att den pressar luft antingen framåt eller bakåt beroende på åt vilket håll man snurrar den. Propellern kan därför användas i maskiner som suger eller blåser som till exempel i en dammsugare eller en lövblås. Om propellern är tillräckligt stark kan den pressa luft eller annan gas eller vätska bakåt med så stor kraft att föremålet propellern sitter fast på rör sig framåt.

Snören

Snören kan användas till många saker och fungerar ofta bra när man bygger konstruktioner. En uppgift då det är bra att använda snören är om man ska konstruera någonting som fungerar så att om man drar i ett snöre nedåt tittar en gubbe ut där uppe.

Två lösningar på den uppgiften är dessa:

Den rörliga leden görs genom att man sätter en skruv genom metallbitarna och skruvar på en mutter löst så att metallbitarna inte pressas mot varandra.

Hävstänger

Det finns både enarmade och tvåarmade hävstänger. En vanlig hävstång är gungbrädan. När man gungar på den vrider den sig runt en vridningspunkt. Från vridningspunkten går det ut en arm åt ena hållet och en andra arm åt motsatt håll. Gungbrädan är därför en tvåarmad hävstång.

Om man stoppar in en pinne under en sten för att bända upp den så är det bara en arm som går ut från vridningspunkten. Man har då en enarmad hävstång.

Man kan lätt göra om den till en tvåarmad hävstång genom att stoppa in något under pinnen som den kan vridas runt.

Det finns en lag när det gäller hävstänger. Den går ut på att armens längd gånger kraftens storlek blir vridmomentet, det vill säga hur mkt o med hur mkt kraft pinnen vrids runt vridningspunkten.

Längden * Kraften = Vridmomentet

Om Ida och Per ska gunga gungbräda och Per väger hela 40kg medan Ida bara väger 20kg så måste de sitta olika långt från vridningspunkten för att det ska väga jämt.

Om Per sitter 1 meter från vridningspunkten måste Ida sitta dubbelt så långt ifrån vridningspunkten för att de ska väga jämt, det vill säga 2 meter ifrån den.

Det här är lite överkurs så om du inte förstår så gör det inget. Men du ska veta om du trycker längre från vridningspunkten så krävs det mindre kraft. Om man ska lyfta en tung sten med hjälp av en hävstång är detta bra att veta. Då ska man trycka ner långt ifrån vridningspunkten och lägga stenen nära vridningspunkten. Man förlorar då i väg men vinner i kraft.

Arkimedes skruv

Här är Arkimedesskruv gjord av en korkskruv och ett plaströr.

När man snurrar på den lyfts (i det här fallet) kaffepulvret upp.

Skvaltkvarn

En skvaltkvarn är en vattenhjulsdriven kvarn där man malde mjöl.  Mjölet maldes mellan de två kvarnstenarna. Den övre sitter fast på axeln och snurras runt av vattenhjulet som sitter under kvarnstenarna.

De här kvarnarna började användas 250 år f.Kr. Det var enkla kvarnar som varje familj kunde bygga i åkanten, om de hade tillgång till en åkant. Så länge ett område var glest befolkat så fanns det gott om allmänningar, mark som av tradition använts utav den som behövde det. När befolkningen blev större började marken delas upp. Någon ägde marken.

Nackdelen med skvaltkvarnen jämfört med de stora vind- eller vattenhjulsdrivna kvarnarna som uppfanns senare och som användes ända in på 1900-talet var att den inte var så effektiv. Den var i stället enkel. För att konstruera en kvarn med lodrätt vattenhjul så var man tvungen att uppfinna träkugghjul och sätta kugghjulen i 90 graders vinkel mot varandra, precis som på den handdrivna vispen. Inte helt lätt.

De stora kvarnarna krävde också att många bönder gick ihop och byggde en gemensam kvarn eller att någon tog på sig kostnaden för att bygga kvarnen och de andra fick på olika sätt betala för att få sitt mjöl malet. Olika landskap i Sverige har haft olika traditioner när det gällt samarbete.

En bokstav ur Polhems mekaniska alfabet.

Den här modellen fanns i Polhems mekaniska alfabet. Den finns också på Teknorama på tekniska museet som en stor nytillverkad modell som är en meter hög och som man kan veva på. Den här modellen gjorde ett par elever våren 2001 när vi skulle till Polen med en utställning om svenska uppfinnare. Modellen omvandlar en roterande rörelse till en rörelse upp och ner

Ordet stångjärnshammare har dykt upp från ingenstans. Ska inte vara med.

Stångjärnshammare eller vadmalsstamp

Det här är en modell av en vadmalsstamp eller en stångjärnshammare. Principen är densamma. Man vill ha en tyngd som faller rakt ner om och omigen. På det sättet kunde man få den varma järnklumpen att bankas ut till en stång.  Man kunde också få det grova våta ulltyget att krympa så det blev en tät och stark vadmal.

Smideshammare

Att smida är att forma varmt järn genom att slå på det med en hammare. I Sverige har man kunnat smida järn sedan järnåldern dvs. sedan 500-talet. De flesta smeder var män men det fanns också kvinnor som arbetade som smeder.

Det här är en modell av en mekanisk smideshammare som drivs av ett vattenhjul. På länsmuseet i Västerås finns en mer komplicerad modell i trä av en smideshammare. På den modellen kan man se hur man fick hammaren att slå fortare, eller långsammare eller slå med större eller mindre kraft. Ofta fanns det flera smideshammare som fick rörelsen från samma vattenhjul.

Att vara smed var ett tungt jobb. Det krävdes muskler och uthållighet. Smeden kunde ha hjälp av en lärling. Han kanske slog ett par slag för att visa var slagen skulle hamna och sedan turades lärlingen och smeden om med att slå. Smeden kunde också ha hjälp av en mekanisk smideshammare som slog om och omigen på samma ställe. Då gällde det för smeden att röra arbetsstycket så att slagen kom på rätt ställe. Han fick också akta sig så att han inte hamnade under smideshammaren med en hand.

Plåtgubbe som vickar på huvudet.

Handdriven visp med kugghjul

På den här vispen kan du se hur det blir när olika stora kugghjul snurrar mot varandra. Då kommer de små hjulen att snurra med fler varv. Det kallas för att växla upp och växla ner hastigheten. Om du vill veta hur fort ett av de små hjulen snurrar i förhållande till det stora så tar du antalet kuggar på det stora hjulet och dividerar det med antalet på det lilla.

Om ett litet hjul t.ex. har 8 kuggar och ett stort har 24 kuggar så snurrar det lilla hjulet tre gånger så fort som det stora.

Kan du nu räkna ut hur fort vispen snurrar i förhållande till din hand som håller veven?

De två visparna snurrar åt motsatta hållet mot varandra.

Du kan också se hur kugghjulen inte sitter i samma plan, utan axlarna som går genom kugghjulen är vinklade 90 grader mot varandra.

Uppväxling med kugghjul i två steg.

När kugghjulen inte kan göras tillräckligt stora för den utväxling man behöver får man göra utväxlingen i flera steg som på den här modellen

På axel 1 sitter ett stort kugghjul med 40 kuggar. När det går emot det lilla kugghjulet med bara 8 kuggar på axel två snurrar det lilla hjulet många varv för varje varv det stora snurrar. På axel två sitter också ett stort kugghjul som då snurrar lika fort som det lilla på samma axel. Sedan går det stora kugghjulet på axel 2 emot det lilla kugghjulet på axel 3 och uppväxling sker igen.

Genom den här uppväxlingen så snurrar propellern på axel 3 mycket fortare än axel 1, men det är trögare att vrida axel 1. Hur många varv snurrar propellern på axel 3 om man snurrar kugghjulet på axel 1 ett varv?

Eftersom det lilla kugghjulet har 8 kuggar och det stora 40 kuggar så blir det fem gånger fler varv på första uppväxlingen. 40/8 =5.

Totalt blir det 25 varv eftersom det sker två gånger och 5*5 =25.

Två sätt att lagra energi

Mecanomotor

Gummibandsmotor hunden

Hur fungerar då den här gummibandsmotorn?

Om du först roterar den i handen så kommer den att rulla utav sig själv över golvet när du ställer ner den. Det kanske inte ser ut som en hund, men jag brukar kalla den för hunden.

En liten ledtråd är att inuti burken finns en rejäl tyngd och ett kraftigt gummiband.

Det här var nog för i dag. När jag hinner så ska jag redigera detta.