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歯車って何ができるの?

こんちには!広報担当のヒロです!

今回は奥深いテーマ「歯車」についてです。ちなみに、私は歯車の事はあまり知りませんでしたが、色々と調べていくと歯車が出来る事って沢山あります。

まずは歯車について、あなたはどんなイメージを持っていますか?力の方向を変える物、力の大きさを変える物なんかはイメージ出来ると思います。もしあなたに工学系の知識があれば、円運動を別の運動に変える物、簡単なスイッチの働きなど、様々な歯車の働きをイメージ出来ると思います。

私自身、最初は流石にスイッチは言い過ぎだろうと思っていましたが、調べたら結構昔からあるんですよね。言われてみれば、イギリスでの産業革命での発明品の一つ、蒸気機関が発達していく過程(約200年前から)で幾つものタイプの歯車が発明・発見されてきたんですよね。参考までにガソリンエンジンが主役になる前の主役、蒸気機関の仕組みを紹介した動画を載せておくので、時間がある時にゆっくりと見て下さい。

https://youtu.be/AN_gKUjf5r4
蒸気機関の原理

また、歯車の原理は簡単ですが、歯車を組み合わせると複雑な動きも出来ます。有名なのは昔からある日本のからくり人形です。歯車の知識が無い状態で江戸時代にこんな複雑な動き見たら、「なんだこの人形!生きてる!」ってなりますよね。(私は初めて見た時「え?!電子制御と和人形を組み合わせたの?)と思いました。)

https://youtu.be/5oirYgABQMQ
からくり人形

そこで、まずは歯車の基本の動きをまとめてみたいと思います。

歯車で回転の方向を変える原理

歯車の基本の動き、回転の向き(右回りと左回り)について説明したいと思います。というよりも、図を見てもらえば簡単に理解できると思うので、図で説明します。

歯車の動き

上の図を見て下さい。青い歯車が「右回り」で回転しています。その時にオレンジの歯車の回転の方向は「右回り」でしょうか?それとも「左回り」でしょうか?

右回りだと思ったら、右回りの矢印が書けると思います。しかし、よく考えてみて下さい。

一見、上の矢印だけ見ると右回り同士で問題無い様に見えます。しかし、下の矢印も見て下さい。矢印同士がぶつかってしまいますよね。これでは回転する事はできません。正解は…

歯車が噛み合っている場合

歯車同士が噛み合うと、回転の向きは逆になります。正解はオレンジの歯車は「左回り」になります。

これなら、青い歯車の力の動きがオレンジの歯車に伝わるイメージが出来ると思います。まあ、単純に「隣の歯車は逆の方向の運動をする」と覚えても差し支えないと思います。

では、問題です。3つ歯車が繋がった場合、3つ目の歯車の向きはどうなるでしょうか? 

3つ繋がった場合は、隣の隣になるので、正解は「右回り」です。

この法則は歯車が4つだろうが、5つだろうが関係ありません。(当たり前ですね。)「偶数目の歯車は逆方向、奇数目の歯車は同じ方向」と覚えてもらっても問題ありません。分かりやすい方で覚えてみて下さい。設計図が簡単に読める様になります。

回転数を変える仕組み

次に理解してもらいたいのが、歯車の大小の組み合わせで速度とトルクが変わる事です。まずは下の図を見て下さい。(歯車の歯数と図内の歯数は一致していません。ご容赦下さい。)

上の図の青い歯数が10個、赤い歯数が5個の場合、青い歯数が1回転すると歯数が10個使われた事になります。すると赤い歯車は10個の歯数と噛み合った事になるので10÷5=2回転した事になります。これは青い歯車が1回転している間に赤い歯車が2回転している事になるので、速度が2倍になったとも言えます。(正確には青い歯車に比べ、回転速度と回転数が2倍、トルクが1/2倍になった事になります。)

トルクに関しては半径で考えた方が理解しやすいと思います。上の図の様に「トルク=力×r」なので、r(半径)が半分になればトルクが半分になります。

では、上の図の様に赤い歯車が青い歯車よりも2倍の歯数(2倍の半径)の場合はどうなるでしょうか?

青い歯車が1回転(歯数10個使用)した場合、赤い歯車も10個の歯数を使用した事になります。つまり、赤い歯車は10÷20=0.5回転した事になり、速度も0.5倍になります。しかし、トルクは半径が2倍になっているので、2倍になります。

つまり、歯数が変わると「回転速度と回転数がトルクと反比例する」事になります。※ただし、エネルギーの総量は変わりません。馬力=トルク×回転数×定数の原理を思い出してみて下さい。

歯車をスイッチとして使う仕組み

歯車をスイッチとして使う機能は、主に機械式時計のストップウォッチ機能(機械式時計の世界ではストップウォッチとは言わず、クロノグラフと言います。)が参考になります。クロノグラフの機能も約200年前には実用化されています。勿論ただスタートとストップだけではなく、リセット機構も搭載されています。ここでは割愛させて頂きますが、参考になる動画を載せましたので、興味があれば見て下さい。

https://youtu.be/x1TwfClJqtE

歯車の働きはもっと奥深いものですが、今回は基本として以上にします。あなたも興味が湧いてきたら、歯車について調べてみて下さい。

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