科目
機構学
章
リンク機構
図番
07 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 7 / 12

動く棒にも、その瞬間の回転の中心がある瞬間中心と速度比

連接棒は、どの瞬間も、クランクの延長線とてこの延長線の交点(瞬間中心)のまわりを回っている。ワイパーの4節リンクでクランク角 150° なら、てこはクランクの 0.424 倍の角速度で回り、クランクと連接棒が一直線に並ぶ瞬間に止まる。

4本の棒をピンでつないだリンク。クランクとてこの延長線が交わる点のまわりを、まん中の棒が回っている
このページの内容
  1. ワイパーは、端で一度止まる
  2. 公式はこれ
  3. 連接棒は、瞬間中心のまわりを回る
  4. てこが止まる瞬間
  5. 瞬間中心が、遠くへ飛ぶとき
  6. 速さの比の逆が、力の比
  7. どの数字がいちばん効く?
  8. ワイパーに戻る
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この考え方が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. どの瞬間も、連接棒は瞬間中心(クランクの延長線と、てこの延長線の交点)のまわりを回っていると見なせる。
  2. てこの角速度 ÷ クランクの角速度は、瞬間中心までの距離の比で決まる。ワイパーの4節リンクでクランク角 150° なら、40187.2×158.580≒0.424\dfrac{40}{187.2} \times \dfrac{158.5}{80} \fallingdotseq 0.424。
  3. クランクと連接棒が一直線に並ぶ瞬間、瞬間中心はてこの先に重なり、てこは止まる(往復の折り返し)。

ワイパーは、端で一度止まる

雨の日のワイパーを、よく見てみます。窓の真ん中あたりでは速く動き、端に近づくと遅くなって、一瞬止まってから戻ります。

ワイパーを動かすのは、4節リンク(グラスホフの条件) で見た4節リンクです。モータに付いたクランク 40 mm、連接棒 120 mm、ワイパーの軸に付いたてこ 80 mm、2つの軸の間の固定節 100 mm です。

モータは、クランクを一定の速さで回しています。それなのに、てこの速さは、速くなったり遅くなったりします。

クランク角(固定節の向きから、反時計回りに測った角度)が 150° の瞬間、てこはクランクの何倍の角速度で回っているでしょうか。そして、てこが止まるのは、どんな瞬間でしょうか。

予想してから読むクランクを一定の速さで回しています。クランクと連接棒が一直線に並んだ瞬間、てこの速さは?

公式はこれ

ωcω=aIA‾×IB‾c\dfrac{\sscWc}{\skiOmega} = \dfrac{\sysA}{\sscIA} \times \dfrac{\sscIB}{\sysC}
記号 意味 クランク角 150° では
ω\skiOmega クランクの角速度 (一定)
ωc\sscWc てこの角速度 クランクの 0.424 倍
a\sysA・c\sysC クランクの長さ・てこの長さ 40 mm・80 mm
I\sscI 連接棒の瞬間中心(クランクの延長線と、てこの延長線の交点) 固定節の右下、(127.5, −73.6) mm
IA‾\sscIA・IB‾\sscIB 瞬間中心から、クランクの先 A・てこの先 B までの距離 187.2 mm・158.5 mm
ωcω=40187.2×158.580=0.214×1.98=0.424\dfrac{\sscWc}{\skiOmega} = \dfrac{40}{187.2} \times \dfrac{158.5}{80} = 0.214 \times 1.98 = 0.424

この瞬間、てこは、クランクの 0.424 倍の角速度で回っています。

この式は、どこから来るのでしょうか。

連接棒は、瞬間中心のまわりを回る

円の上の点は、半径に直角に動く

コンパスで円を描くと、鉛筆の先は、いつも針と鉛筆を結ぶ線に直角の向きへ進みます。長さの決まった棒の先は、円の上しか動けないからです。

4節リンクでも同じです。クランクの先 A は、O2 のまわりの円の上を動きます。だから A は、その瞬間、クランクに直角の向きに動きます。てこの先 B も、O4 のまわりの円の上を動くので、てこに直角の向きに動きます。

2つの「直角」から、回る中心が決まる

連接棒は、A と B を両端に持つ1本の棒です。棒がある点 I のまわりを回るとき、棒の上のどの点も、I と結んだ線に直角の向きに動きます。

A はクランクに直角に動くので、I は、A を通るクランクの直線の上にあります。B はてこに直角に動くので、I は、B を通るてこの直線の上にもあります。

だから I は、クランクの延長線と、てこの延長線の交点です。連接棒は、この瞬間だけ、I にピンで留められた棒のように回っています。I を瞬間中心といいます。

壁に立てかけたはしごが、すべり落ちる場面でも同じです。上の端は壁に沿って真下へ、下の端は床に沿って横へ動きます。それぞれの向きに直角な線を引くと、2本の交点が、はしごのその瞬間の回る中心です。

転がる自転車の車輪では、地面に触れている点が、その瞬間は止まっています。車輪は、その点のまわりを回っています。だから、地面から遠い上の端ほど、速く進みます。瞬間中心は、次の瞬間には別の点に移ります。

速さを、瞬間中心を通して渡す

クランクの角速度を ω\skiOmega とすると、A の速さは ω a\skiOmega\,\sysA です。

連接棒は I のまわりを回っているので、A の速さは「連接棒の角速度 ωb\sscWb × IA‾\sscIA」とも書けます。

ω a=ωb IA‾⟹ωb=ω aIA‾\skiOmega\,\sysA = \sscWb\,\sscIA \quad\Longrightarrow\quad \sscWb = \skiOmega\,\dfrac{\sysA}{\sscIA}

同じ ωb\sscWb で、B の速さは ωb IB‾\sscWb\,\sscIB です。B はてこの先でもあるので、B の速さは ωc c\sscWc\,\sysC とも書けます。

ωc c=ωb IB‾⟹ωc=ωb IB‾c\sscWc\,\sysC = \sscWb\,\sscIB \quad\Longrightarrow\quad \sscWc = \sscWb\,\dfrac{\sscIB}{\sysC}

2つの式をつなぐと、ωb\sscWb が消えます。

ωcω=aIA‾⏟A から I へ×IB‾c⏟I から B へ\dfrac{\sscWc}{\skiOmega} = \underbrace{\dfrac{\sysA}{\sscIA}}_{\text{A から I へ}} \times \underbrace{\dfrac{\sscIB}{\sysC}}_{\text{I から B へ}}

前のかたまりは「クランクの回りを、連接棒の回りに直す比」、後ろのかたまりは「連接棒の回りを、てこの回りに直す比」です。てこの角速度 ÷ クランクの角速度を、ここでは速比と呼びます。

数で確かめる

クランクを毎分 30 回転で回すとします。角速度は ω=2π×30/60=3.14 rad/s\skiOmega = 2\pi \times 30/60 = 3.14\ \mathrm{rad/s} です。クランク角 150° の瞬間を、順に計算します。

vA=ω a=3.14×40=126 mm/sv_A = \skiOmega\,\sysA = 3.14 \times 40 = 126\ \mathrm{mm/s} ωb=vAIA‾=126187.2=0.671 rad/s\sscWb = \dfrac{v_A}{\sscIA} = \dfrac{126}{187.2} = 0.671\ \mathrm{rad/s}

回転数に直すと、毎分 6.4 回転です。

vB=ωb IB‾=0.671×158.5=106 mm/sv_B = \sscWb\,\sscIB = 0.671 \times 158.5 = 106\ \mathrm{mm/s} ωc=vBc=10680=1.33 rad/s\sscWc = \dfrac{v_B}{\sysC} = \dfrac{106}{80} = 1.33\ \mathrm{rad/s}

1.33 ÷ 3.14 = 0.424 で、公式と同じです。てこの角速度 1.33 rad/s は、回転数にすると毎分 12.7 回転の速さです。

別の方法で確かめる

クランクを、149.5° から 150.5° まで、1° だけ回してみます。2つの姿勢で、てこの角度を2つの円の交点から出して、差をとると 0.4235° です。クランクが 1° 回る間に、てこは 0.424° 回る。瞬間中心から出した速比と、同じです。

てこが止まる瞬間

クランクと連接棒が、一直線に並ぶ瞬間を考えます。4節リンク(グラスホフの条件) で見た、振れの両端の姿勢です。伸びきるのはクランク角 24.1°、重なるのは 231.3° のときです。

このとき、クランクの延長線は、連接棒に沿って、そのままてこの先 B を通ります。てこの延長線も、もちろん B を通ります。2本の交点、つまり瞬間中心は、B そのものです。

IB‾=0⟹ωcω=aIA‾×0c=0\sscIB = 0 \quad\Longrightarrow\quad \dfrac{\sscWc}{\skiOmega} = \dfrac{\sysA}{\sscIA} \times \dfrac{0}{\sysC} = 0

クランクは回り続けているのに、てこはこの瞬間、止まっています。そこで向きを変えて、戻り始めます。ワイパーが窓の端で一瞬止まるのは、このためです。

ブランコが、いちばん高いところで一瞬止まるのと同じです。往復する物は、向きを変える瞬間、必ず速さが 0 になります。4節リンクでは、それがクランクと連接棒が一直線に並ぶ瞬間です。

瞬間中心が、遠くへ飛ぶとき

クランクの延長線と、てこの延長線が、平行に近くなることがあります。ワイパーの4節リンクでは、クランク角 69.5° と 294.6° のときです。2本の線の交点は、とても遠くへ飛びます。

クランク角 IA‾\sscIA IB‾\sscIB 速比
60° 1,011 mm 925 mm 0.457
69° 20,825 mm 20,749 mm 0.498
70° 22,140 mm 22,214 mm 0.502
90° 622 mm 671 mm 0.539

瞬間中心が遠いほど、IA‾\sscIA と IB‾\sscIB は、ほとんど同じ長さになります。IB‾/IA‾\sscIB / \sscIA は 1 に近づき、速比は a/c=40/80=0.5\sysA / \sysC = 40/80 = 0.5 に近づきます。

ちょうど平行のとき、連接棒は回らずに、平行に動いています。A と B は同じ速さで動き、ω a=ωc c\skiOmega\,\sysA = \sscWc\,\sysC です。この瞬間、速比はちょうど 0.5 です。

速さの比の逆が、力の比

トグル機構(小さな力で大きな力) では、「入れた仕事=出た仕事(摩擦なし)。少ししか動かない側には、大きな力が出る」というてんびんの決まりに名前を付けました。4節リンクにも、そのまま当てはまります。

クランク角 150° では、てこはクランクの 0.424 倍しか回りません。同じ時間に、クランクのトルク × 回った角度 = てこのトルク × 回った角度 なので、てこのトルクは、クランクのトルクの 1 ÷ 0.424 ≒ 2.36 倍です。

てこが止まる瞬間に近づくほど、速比は 0 に近づき、てこのトルクは大きくなります。トグル機構は、この性質を使って、小さな力で大きな力を出します。

どの数字がいちばん効く?

クランク角 150° のまま、1本ずつ長さを10%だけ長くしたとき、速比がどう変わるかを調べました。

長くする節 速比 変化
(初期値) 0.424 —
クランク a\sysA 40 → 44 mm 0.456 +7.6%
連接棒 b\sysB 120 → 132 mm 0.429 +1.4%
てこ c\sysC 80 → 88 mm 0.404 −4.6%
固定節 d\sysD 100 → 110 mm 0.411 −2.9%

いちばん効くのはクランクです。公式の分子の a\sysA がそのまま大きくなり、同時に瞬間中心の位置も変わるからです。てこは分母にあるので、長くすると遅くなります。

ワイパーに戻る

クランクを1回転させながら、速比を追いかけると、次のようになります。

場面 クランク角 速比
伸びきり(窓の一方の端) 24.1° 0(止まる)
行きでいちばん速い 95.5° 0.541
重なり(窓の反対の端) 231.3° 0(止まる)
帰りでいちばん速い 338.8° 0.958

ワイパーは、端で速さが 0 になり、そこからなめらかに速くなります。いきなり向きを変えるわけではないので、ブレードや軸に、急な衝撃がかかりません。

帰りのほうが速くなるのは、帰りの間にクランクが回る角度が、行きより小さいからです(152.8° と 207.2°)。

つまり、ものを作るときは

4節リンクの出力の速さを知りたいときは、クランクの延長線と、てこの延長線を引いて、交点を探します。距離を2つ測れば、速比が出ます。

出力を止めたい位置(折り返し・押しつける位置)では、クランクと連接棒が一直線に並ぶように長さを決めます。その近くでは、出力はゆっくり動き、大きな力を出せます。

動かしてみよう

クランク角 θ\skiTheta を変えると、その瞬間の姿で、4節リンクが止まって出ます。朱の破線がクランクの延長線、青の破線がてこの延長線、黒い丸が瞬間中心 I です。

「▶ 自動で動かす」を押すと、クランクが回り続けます。瞬間中心 I が動き、図の外へ飛んで、反対側から戻ってくるのが見えます。

A と B の青い矢印は、それぞれの速さです。A の矢印の長さは一定で、B の矢印は、速比に合わせて伸び縮みします。

瞬間中心が図の外へ出ると、図の端に、I のある向きの矢印が出ます。回転数 N\skiN を変えても、速比は変わりません。てこの角速度だけが変わります。

下の4本の長さ a\sysA〜d\sysD は、はじめはワイパーの寸法(40・120・80・100 mm)です。クランク a\sysA を長くすると、同じ角度でも瞬間中心の位置と速比が変わります。長さによっては、ある角度で組めなくなり、図に2つの円が交わらない様子が出ます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. クランク角 θ を 70° にする。2本の延長線(破線)がどこで交わるか、図の端の I の印を見る(まだ)
  2. クランク角 θ を 339° にする。左下の IA・IB と、速比 ωc/ω を見る(まだ)
  3. クランク角 θ を 24° にする。I の位置と、B の速さの矢印を見る(まだ)
°
mm
mm
mm
mm
min⁻¹
vAvBABO2O4I(瞬間中心)IA = 187 mmIB = 159 mmωc/ω = 0.424単元瞬間中心θ150°てこ行き(反時計回り)
速比(てこの角速度 ÷ クランクの角速度)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

ωc/ω=aIA‾×IB‾c\htmlClass{q-flow}{\omega_c/\omega} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{a}}{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}}} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}}}{\htmlClass{q-geometry}{c}}=40187.2×158.580= \dfrac{40}{187.2} \times \dfrac{158.5}{80}=0.424= 0.424
速比(てこの角速度 ÷ クランクの角速度)
ωc/ω=0.424 \htmlClass{q-flow}{\omega_c/\omega} = 0.424\
てこの角速度
ωc=1.33 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_c} = 1.33\ \mathrm{rad/s}
瞬間中心からクランクの先 A までの距離
IA‾=187.2 mm\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}} = 187.2\ \mathrm{mm}
瞬間中心からてこの先 B までの距離
IB‾=158.5 mm\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}} = 158.5\ \mathrm{mm}
途中の計算(導出)を見る
  1. 瞬間中心 I(クランクの延長線と、てこの延長線の交点)の位置。O2 を原点、固定節の向きを x として

    I=(127.5, −73.58) mm=O2 から 147.2 mm\htmlClass{q-geometry}{I} = (127.5,\ -73.58)\ \mathrm{mm} = \text{O2 から}\ 147.2\ \mathrm{mm}
  2. クランクの先 A の速さを、瞬間中心までの距離で割ると、連接棒の角速度

    ωb=ω aIA‾=3.14×40187.2=0.671 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_b} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega}\,\htmlClass{q-geometry}{a}}{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}}} = \dfrac{3.14 \times 40}{187.2} = 0.671\ \mathrm{rad/s}
  3. 連接棒の角速度に、瞬間中心から B までの距離を掛けると B の速さ。てこの長さで割ると、てこの角速度

    ωc=ωb IB‾c=0.671×158.580=1.33 rad/s (12.7 min−1 の速さ)\htmlClass{q-flow}{\omega_c} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega_b}\,\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}}}{\htmlClass{q-geometry}{c}} = \dfrac{0.671 \times 158.5}{80} = 1.33\ \mathrm{rad/s}\ (12.7\ \mathrm{min^{-1}}\ \text{の速さ})
  4. 速比(てこの角速度 ÷ クランクの角速度)は、距離の比だけで決まる

    ωc/ω=aIA‾×IB‾c=40187.2×158.580=0.424\htmlClass{q-flow}{\omega_c/\omega} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{a}}{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}}} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}}}{\htmlClass{q-geometry}{c}} = \dfrac{40}{187.2} \times \dfrac{158.5}{80} = 0.424

よくある勘違い

「瞬間中心は、連接棒の決まった点」

瞬間中心は、クランク角が変わるたびに、別の場所へ動きます。図の外へ飛ぶこともあります。ピンで留めた支点ではありません。

言葉 場所 動くか
固定の支点(O2・O4) 床に付いたピン 動かない
瞬間中心 I\sscI クランクの延長線と、てこの延長線の交点 クランク角ごとに動く

「てこが止まっている瞬間は、クランクも止まっている」

クランクは、一定の速さで回り続けています。止まるのは、てこだけです。クランクの先 A は、その瞬間、連接棒に沿って B のまわりを回るように動いていて、B を押していません。

「速さが 0 の瞬間は、力もかかっていない」

てこが止まる瞬間は、向きを変える瞬間です。速さが 0 でも、戻る向きの加速度があります。てんびんの決まりで見ると、その近くでは、てこはむしろ大きな力を出せます。

この考え方が使える条件

  • 節は、どれも長さが変わらない(曲がったり、伸びたりしない)
  • 4つの対偶は、どれもピンで回る回り対偶。すき間やがたは無い
  • 4本は同じ平面の中で動く
  • 力の比(てんびん)を使うときは、摩擦が無く、部品の質量による力(慣性力)も考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

座標で書く:O2 を原点、固定節の向きを x とします。クランクの先は A=a(cos⁡θ,sin⁡θ)A = \sysA(\cos\skiTheta, \sin\skiTheta)、てこの先は B=O4+c(cos⁡ϕ,sin⁡ϕ)B = O_4 + \sysC(\cos\phi, \sin\phi) です。A の速度は、クランクに直角で、大きさ ω a\skiOmega\,\sysA です。

瞬間中心の位置:I は、O2 から A の向きに伸ばした直線と、O4 から B の向きに伸ばした直線の交点です。I=s O2A→=O2O4→+t O4B→I = s\,\overrightarrow{O_2A} = \overrightarrow{O_2O_4} + t\,\overrightarrow{O_4B} と置いて、2つの成分の式から ss と tt を解きます。

角速度の比(符号つき):連接棒の上の点の速度は、I のまわりの回転で書けます。A の速度を、クランクの回転と、I のまわりの回転の2通りで書いて比べると、ωb=ω/(1−s)\sscWb = \skiOmega/(1 - s)。B でも同じようにして、ωc=ωb(1−t)\sscWc = \sscWb(1 - t)。まとめると

ωcω=1−t1−s\dfrac{\sscWc}{\skiOmega} = \dfrac{1 - t}{1 - s}

で、大きさは本文の (a/IA‾)(IB‾/c)(\sysA/\sscIA)(\sscIB/\sysC) と同じです(IA‾=∣1−s∣ a\sscIA = |1 - s|\,\sysA、IB‾=∣1−t∣ c\sscIB = |1 - t|\,\sysC)。

瞬間中心を使わない式:連接棒の長さが変わらないことから、A と B の速度の、連接棒の向きの成分は等しくなります。連接棒の角度を ψ\psi とすると、

ω asin⁡(θ−ψ)=ωc csin⁡(ϕ−ψ)\skiOmega\,\sysA\sin(\skiTheta - \psi) = \sscWc\,\sysC\sin(\phi - \psi)

です。クランク角 150° では、どちらの式でも 0.424 になります。平行のとき(I が無限に遠い)も、この式なら、そのまま 0.5 が出ます。

止まる瞬間:クランクと連接棒が一直線に並ぶと、θ−ψ\skiTheta - \psi が 0° か 180° になり、左辺が 0 です。だから ωc=0\sscWc = 0 です。

例題

例題1 クランク角 120° のてこの速さ

ワイパーの4節リンク(クランク 40 mm、連接棒 120 mm、てこ 80 mm、固定節 100 mm)で、クランク角が 120° のとき、連接棒の瞬間中心までの距離は、クランクの先 A から 286.8 mm、てこの先 B から 295.0 mm でした。

(1) 速比 ωc/ω\omega_c/\omega はいくらですか。(2) クランクを毎分 45 回転で回すと、てこの角速度と、てこの先 B の速さはいくらですか。

ヒント 1 / 2

速比は aIA‾×IB‾c\dfrac{a}{\overline{IA}} \times \dfrac{\overline{IB}}{c} です。

ヒント 2 / 2

毎分 45 回転は、ω=2π×45/60\omega = 2\pi \times 45/60 rad/s です。

答えと解き方を見る
(1) ωc/ω=40286.8×295.080=0.514(1)\ \sscRatio = \dfrac{40}{286.8} \times \dfrac{295.0}{80} = 0.514
(2) ω=4.71 rad/s,ωc=2.42 rad/s,vB=194 mm/s(2)\ \skiOmega = 4.71\ \mathrm{rad/s},\quad \sscWc = 2.42\ \mathrm{rad/s},\quad v_B = 194\ \mathrm{mm/s}
  1. 瞬間中心 I(クランクの延長線と、てこの延長線の交点)の位置。O2 を原点、固定節の向きを x として

    I=(123.4, −213.8) mm=O2 から 246.8 mm\htmlClass{q-geometry}{I} = (123.4,\ -213.8)\ \mathrm{mm} = \text{O2 から}\ 246.8\ \mathrm{mm}
  2. クランクの先 A の速さを、瞬間中心までの距離で割ると、連接棒の角速度

    ωb=ω aIA‾=4.71×40286.8=0.657 rad/s\htmlClass{q-flow}{\omega_b} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega}\,\htmlClass{q-geometry}{a}}{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}}} = \dfrac{4.71 \times 40}{286.8} = 0.657\ \mathrm{rad/s}
  3. 連接棒の角速度に、瞬間中心から B までの距離を掛けると B の速さ。てこの長さで割ると、てこの角速度

    ωc=ωb IB‾c=0.657×29580=2.42 rad/s (23.1 min−1 の速さ)\htmlClass{q-flow}{\omega_c} = \dfrac{\htmlClass{q-flow}{\omega_b}\,\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}}}{\htmlClass{q-geometry}{c}} = \dfrac{0.657 \times 295}{80} = 2.42\ \mathrm{rad/s}\ (23.1\ \mathrm{min^{-1}}\ \text{の速さ})
  4. 速比(てこの角速度 ÷ クランクの角速度)は、距離の比だけで決まる

    ωc/ω=aIA‾×IB‾c=40286.8×29580=0.514\htmlClass{q-flow}{\omega_c/\omega} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{a}}{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IA}}} \times \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{\overline{IB}}}{\htmlClass{q-geometry}{c}} = \dfrac{40}{286.8} \times \dfrac{295}{80} = 0.514

クランクの先 A の速さは 4.71 × 40 = 188 mm/s です。連接棒は I のまわりに 188 ÷ 286.8 ≒ 0.657 rad/s で回り、B の速さは 0.657 × 295.0 ≒ 194 mm/s です。

てこの角速度 2.42 rad/s は、回転数にすると、毎分約 23 回転の速さです。

例題2 クランクが固定節に重なるとき

同じワイパーの4節リンクで、クランクが固定節の向き(クランク角 0°)と、その反対の向き(180°)を向いた瞬間を考えます。

(1) どちらの瞬間も、連接棒の瞬間中心は、てこの支点 O4 に重なります。なぜですか。(2) それぞれの瞬間の速比を、距離の比から出してください。

ヒント 1 / 2

クランク角 0° と 180° では、クランクは固定節の直線の上にあります。

ヒント 2 / 2

I から A までの距離は、O4 から A までの距離です。

答えと解き方を見る
(1) クランクの延長線は固定節の直線そのもの。てこの延長線は必ず O4 を通るので、交点は O4(1)\ \text{クランクの延長線は固定節の直線そのもの。てこの延長線は必ず O4 を通るので、交点は O4}
(2) 0∘: 4060×8080=0.667,180∘: 40140×8080=0.286(2)\ 0^{\circ}{:}\ \dfrac{40}{60} \times \dfrac{80}{80} = 0.667,\qquad 180^{\circ}{:}\ \dfrac{40}{140} \times \dfrac{80}{80} = 0.286

I が O4 に重なると、IB‾\overline{IB} はてこの長さ 80 mm そのものです。速比は a/IA‾a/\overline{IA} だけで決まります。

IA‾\overline{IA} は、0° では 100 − 40 = 60 mm、180° では 100 + 40 = 140 mm です。0° ではてこは帰りの向きに、180° では行きの向きに動いています。

例題3 速さの比の逆が、力の比

ワイパーの4節リンクのクランクを、0.5 N·m のトルクで回しています。摩擦は考えず、入れた仕事と出た仕事が等しいとします。

(1) クランク角 150° の瞬間、てこが出せるトルクはいくらですか(速比は 0.424)。(2) クランク角 339° の瞬間(速比は 0.958)では、いくらですか。

ヒント 1 / 2

仕事=トルク × 回った角度。同じ時間に回る角度の比が、速比です。

ヒント 2 / 2

てこのトルク = クランクのトルク ÷ 速比 です。

答えと解き方を見る
(1) 0.50.424=1.18 N⋅m(1)\ \dfrac{0.5}{0.424} = 1.18\ \mathrm{N\cdot m}
(2) 0.50.958=0.522 N⋅m(2)\ \dfrac{0.5}{0.958} = 0.522\ \mathrm{N\cdot m}

同じ時間に、クランクが回る角度 × トルク = てこが回る角度 × トルク です。てこが 0.424 倍しか回らないなら、トルクは 1 ÷ 0.424 ≒ 2.36 倍です。

てこが止まる瞬間(速比 0)に近づくほど、てこのトルクはいくらでも大きくなります。摩擦や部品のたわみがあるので、実際には限りがあります。

更新履歴

  • 4本の節が一直線に並ぶ姿(a 60・b 120・c 80・d 100 mm の θ = 0° など)で、瞬間中心までの距離を 10⁹ mm と出していたのを、「決まらない」に直しました。