چرخ‌دنده‌ها: سریع‌تر یا پرزورتر
دوچرخه‌سواری که در سربالاییِ تند رکاب می‌زند، دنده را عوض می‌کند. حالا پاهایش تندتر می‌چرخند، دوچرخه آهسته‌تر پیش می‌رود، اما رکاب زدن خیلی آسان‌تر شده است. درونِ آن دنده‌ی کوچک چه اتفاقی افتاد؟
دندانه در دندانه
چرخ‌دنده چرخی است که دورتادورش دندانه دارد. وقتی دو چرخ‌دنده درگیر باشند، دندانه‌های یکی در فاصله‌ی دندانه‌های دیگری جا می‌گیرد و چرخشِ اولی، دومی را می‌چرخاند. دو نکته مهم است:
- دو چرخ‌دنده‌ی درگیر خلافِ جهتِ هم می‌چرخند: اگر یکی ساعتگرد بچرخد، دیگری پادساعتگرد می‌چرخد.
- چون دندانه‌ها روی هم نمی‌لغزند، وقتی یکی به اندازه‌ی یک دندانه می‌چرخد، دیگری هم دقیقاً یک دندانه می‌چرخد.
سرعت یا گشتاور
اگر چرخ‌دنده‌ای با ۲۴ دندانه یک دورِ کامل بچرخد، ۲۴ دندانه از کنارِ چرخ‌دنده‌ی ۸ دندانه‌ای رد می‌شود؛ پس کوچک ۲۴ ÷ ۸ = ۳ دور می‌چرخد.
- وقتی چرخ‌دنده‌ی بزرگ، کوچک را می‌چرخاند، کوچک سریع‌تر می‌چرخد اما با گشتاورِ کمتر. دریلِ دستی و همزنِ دستی همین کار را می‌کنند.
- وقتی چرخ‌دنده‌ی کوچک، بزرگ را می‌چرخاند، بزرگ آهسته‌تر می‌چرخد اما با گشتاورِ بیشتر. جرثقیل‌ها و بالابرها این‌طورند.
باز هم چیزی مجانی نیست: هرچه سرعتِ چرخش بیشتر شود، گشتاور به همان نسبت کمتر می‌شود.
دنده‌های دوچرخه
در دوچرخه، چرخ‌دنده‌ی جلو (کنارِ رکاب) با زنجیر به چرخ‌دنده‌ی عقب (روی محورِ چرخ) وصل است. این دو با زنجیر هم‌جهت می‌چرخند. اگر چرخ‌دنده‌ی جلو ۴۴ دندانه و عقبی ۱۱ دندانه داشته باشد، با هر دور رکاب، چرخِ عقب ۴۴ ÷ ۱۱ = ۴ دور می‌زند: مناسبِ جاده‌ی صاف. در سربالایی، دوچرخه‌سوار زنجیر را روی چرخ‌دنده‌ی عقبیِ بزرگ‌تری، مثلاً ۲۲ دندانه، می‌برد. حالا چرخ با هر دور رکاب فقط ۲ دور می‌زند، اما رکاب زدن آسان‌تر است.
تغییرِ جهت
چرخ‌دنده‌های مخروطی می‌توانند جهتِ محورِ چرخش را ۹۰ درجه عوض کنند. در دریلِ دستی، دسته را در یک صفحه می‌چرخانید و مته در صفحه‌ای عمود بر آن می‌چرخد. در جعبه‌دنده‌ی خودرو، ساعت‌های عقربه‌ای و آسیاب‌های بادی هم چرخ‌دنده‌ها کارِ اصلی را می‌کنند.
در خانه امتحان کنید
- اگر دوچرخه‌ی دنده‌ای دارید، با کمکِ یک بزرگ‌تر آن را وارونه کنید.
- دندانه‌های چرخ‌دنده‌ی جلو و یکی از چرخ‌دنده‌های عقب را بشمارید و پیش‌بینی کنید چرخ با یک دور رکاب چند دور می‌زند.
- یک دور رکاب بزنید و دورهای چرخ را بشمارید (یک تکه نوارچسب روی چرخ کمک می‌کند).
واژه‌های این درس
- چرخ‌دنده - چرخی با دندانه دورتادورش که چرخش را به چرخ‌دنده‌ی دیگری می‌دهد.
- درگیر بودن - جا گرفتنِ دندانه‌های دو چرخ‌دنده در هم.
- چرخ‌دنده‌ی مخروطی - چرخ‌دنده‌ای که جهتِ محورِ چرخش را عوض می‌کند.
ایده‌ی اصلی
دو چرخ‌دنده‌ی درگیر خلافِ هم می‌چرخند و نسبتِ دورهایشان عکسِ نسبتِ دندانه‌هایشان است. چرخ‌دنده‌ها سرعت را با گشتاور عوض می‌کنند یا جهتِ چرخش را تغییر می‌دهند.