เฟือง (Gear)

        เฟือง ที่พบเห็นทั่วไปมีลักษณะเป็นวงกลมคล้ายล้อที่มีฟันเฟืองที่ขอบโดยรอบ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมความเร็ว แรง หรือ เปลี่ยนทิศทางการเคลื่อนที่โดยการส่งกำลังหรือถ่ายทอดการหมุนจากเฟืองตัวหนึ่งไปยังเฟืองอีกตัวหนึ่ง โดยทั่วไปเฟืองจะทำงานควบคู่กับเพลา ซึ่งเพลาเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งกำลังจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งในลักษณะของการหมุน หากเพลาเกิดการหมุนเฟืองก็จะหมุนตาม

        ฉะนั้นหากปราศจากเพลาแล้วเฟืองก็จะไม่สามารถทำงานได้ เฟืองมีหลายชนิดให้เลือกใช้งานตามความเหมาะสม เช่น เฟืองตรง เฟืองหนอน เฟืองดอกจอก แต่ที่นิยมใช้และพบเห็นกันทั่วไปคือเฟืองตรง

ภาพที่ 6.11  เฟืองชนิดต่าง ๆ
ที่มา : http://3.bp.blogspot.com

หน้าที่การทำงานของเฟือง

        1. การเพิ่มแรงและลดความเร็ว เฟืองจะทำหน้าที่เพิ่มแรงและลดความเร็วได้นั้นขึ้นอยู่กับลักษณะของการใช้งาน เช่น เฟืองตรง ทำงานโดยการหมุนรอบแกนเพลาและส่งแรงหมุนนั้นไปยังเฟืองอีกตัวหนึ่งผ่านทางฟันของเฟืองทั้งสองที่สบกัน เฟืองที่ต่ออยู่กับต้นกำเนิดของแรงเรียกว่า เฟืองขับ ส่วนเฟืองที่สบอยู่แล้วหมุนตามเรียกว่า เฟืองตาม โดยเฟืองทั้งสองตัวจะหมุนในทิศทางตรงกันข้ามกัน

        จากรูปข้างล่าง ถ้าเฟืองขับมีจำนวนฟัน 10 ซี่ และเฟืองตามมีจำนวนฟัน 50 ซี่ เฟืองขับจะต้องหมุน 5 รอบ เพื่อทำให้เฟืองตามหมุนได้ 1 รอบ ทำให้ความเร็วในการหมุนของเฟืองตามน้อยลง แต่แรงพยายามที่ใช้หมุนเฟืองขับจะทำให้เกิดแรงหมุนในเฟืองตามมากขึ้นถึง 5 เท่า การทำงานในลักษณะนี้จะนำไปใช้ในการเพิ่มแรงในการหมุน ตัวอย่างการทำงานในลักษณะนี้ เช่น การสร้างกลไกในการยกของหนักในงานก่อสร้างต่าง ๆ

ภาพที่ 6.12  การทำงานของเฟืองตรงเพื่อเพิ่มแรงและลดความเร็ว
ที่มา : http://dc338.4shared.com

        ตัวอย่างการนำเฟืองมาใช้ในการเพิ่มแรงและลดความเร็ว เช่น จักรยานที่ใช้ระบบเฟืองซึ่งช่วยให้การปั่นง่ายขึ้น เรามักพบเห็นในจักรยานพวกเสือภูเขา เสือหมอบ จักรยานประเภทนี้จะมีส่วนประกอบของระบบเฟืองที่สำคัญ ได้แก่ ชุดเฟืองขับหรือจานหน้าจะอยู่ติดกับโครงตัวถังรถจักรยานใกล้กับบันใดสำหรับถีบ และชุดเฟืองตามหรือจานหลังจะติดตั้งอยู่กับล้อหลัง โดยมีกลไกเลือกเปลี่ยนอัตราทด (เกียร์) เป็นกลไกที่ทำหน้าที่ดึงโซ่ให้เปลี่ยนตำแหน่งจากเฟืองตัวหนึ่งไปสู่อีกตัวหนึ่ง โดยถูกควบคุมด้วยก้านควบคุมการเปลี่ยนเกียร์ที่ติดตั้งบนมือจับของจักรยาน 

ภาพที่ 6.13  จักรยานที่มีระบบกลไกของเฟือง เกียร์
ที่มา : http://f.lnwfile.com

        เมื่อปั่นจักรยานขึ้นเขา จำเป็นที่ต้องเพิ่มแรงเพื่อทำให้สามารถเคลื่อนที่ขึ้นบนทางลาดชันได้ง่ายขึ้น ผู้ขี่จักรยานจะปรับก้านโยกไปที่ตัวเลขน้อยที่สุด หรือเรียกว่า เกียร์ต่ำ เพื่อให้กลไกจักรยานเปลี่ยนโซ่ไปคล้องกับเฟืองขับขนาดเล็กที่สุด และเฟืองตามขนาดใหญ่ที่สุด เป็นผลให้ความเร็วของจักรยานลดลงแต่ทำให้จักรยานมีแรงที่ใช้ขึ้นเขามากขึ้น

        นอกจากนี้ยังมีตัวอย่างของเล่นพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Car) ที่ใช้เฟืองขับขนาดเล็กหมุนเฟืองตามขนาดใหญ่กว่า เพื่อช่วยในการเพิ่มความแรงในการหมุนของล้อรถให้มากขึ้น เมื่อได้รับพลังงานของแสงอาทิตย์ที่เพียงพอ

ภาพที่ 6.14  รถของเล่นพลังงานแสงอาทิตย์ (Solar Car)
ที่มา : http://fasttechcdn.com

        เฟืองหนอน เป็นชุดเฟืองประกอบด้วยเฟืองหนอนที่มีลักษณะเป็นวงกลม และเกลียวหนอนมีลักษณะเป็นแท่งทรงกระบอก เกลียวหนอนจะทำหน้าที่ส่งกำลังให้กับเฟืองหนอน

ภาพที่ 6.15  เฟืองหนอน
ที่มา : http://www.rayonggear.com

        จากรูปด้านบน เป็นการใช้เฟืองหนอนช่วยในการขันตาข่ายวอลเลย์บอลให้ตึง เมื่อหมุนด้ามจับที่ติดกับเกลียวหนอน จะเกิดการส่งกำลังจากเกลียวหนอนไปยังเฟืองหนอน ทำให้เฟืองหนอนมีแรงในการดึงตาข่ายมากขึ้น แต่ความเร็วในการหมุนของเฟืองหนอนจะน้อยกว่าเกลียวหนอน การทำงานลักษณะนี้ยังช่วยเปลี่ยนทิศทางการหมุนได้อีกด้วย

        2. การลดแรงและเพิ่มความเร็ว ถ้าเฟืองตรง ทีใช้เป็นเฟืองขับที่มีจำนวนฟัน 50 ซี่ และเฟืองตามจำนวนฟัน 10 ซี่ เมื่อเฟืองขับหมุนไป 1 รอบจะทำให้เฟืองตามหมุนไปถึง 5 รอบ การใช้งานลักษณะนี้เป็นการเพิ่มความเร็วในการหมุนให้มากขึ้นแต่จะมีแรงในหมุนน้อยลง

ภาพที่ 6.16  การทำงานของเฟืองตรงเพื่อลดแรงและเพิ่มความเร็ว
ที่มา : http://dc335.4shared.com

        หากปั่นจักรยานทางเรียบและต้องการเพิ่มความเร็ว ผู้ขี่จักรยานจะต้องปรับก้านมือโยกไปที่ตัวเลขที่สูงขึ้นหรือที่เรียกกันว่าเกียร์สูง เพื่อให้กลไกเปลี่ยนโซ่จักรยานไปคล้องกับเฟืองขับตัวที่ใหญ่ที่สุด และเฟืองตามตัวที่เล็กที่สุด เฟืองขับขนาดใหญ่นี้จะทำให้เฟืองตามที่มีขนาดเล็กกว่า เพิ่มความเร็วรอบในการหมุนมากขึ้น ทำให้สามารถปั่นจักรยานได้ความเร็วที่เพิ่มขึ้น

ภาพที่ 6.17  การทำงานของเฟืองจักรยานเพื่อลดแรงและเพิ่มความเร็ว
ที่มา : http://www.bikeloves.com

        3. การเปลี่ยนแกนในการหมุน เฟืองดอกจอกมีลักษณะคล้ายกรวย ฟันของเฟืองดอกจอกมีทั้งแบบตรงและแบบเฉียง เฟืองดอกจอกมีหน้าที่ส่งกำลังเพื่อเปลี่ยนแกนการหมุนของเพลา โดยจะใช้เฟืองดอกจอก 2 ตัวประกบกันทำมุม 90 องศา ตัวอย่างสิ่งของเครื่องมือเครื่องใช้ในชีวิตประจำวันที่มีส่วนประกอบของเฟืองดอกจอก เช่น สว่านมือ เมื่อเราหมุนมือจับสว่านในแนวนอนจะทำให้ดอกสว่านเคลื่อนที่โดยทำมุม 90 องศากับด้ามจับ

ภาพที่ 6.18  ตัวอย่างการใช้งานเฟืองดอกจอกในสว่านมือ
ที่มา : http://board.trekkingthai.com

ภาพที่ 6.19  กลไกของเฟืองนาฬิกา
ที่มา : http://1.bp.blogspot.com

        หน้าที่การใช้งานของเฟืองที่กล่าวมาข้างต้น เป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งที่ใกล้ตัว ยังมีสิ่งของเครื่องใช้อีกหลายชนิดที่อาศัยการทำงานของเฟืองในลักษณะต่าง ๆ เช่น นาฬิกามีกลไกของเฟืองที่ทำให้เกิดการหมุนของเข็มชั่วโมงและนาที พัดลมใช้ระบบเฟืองเป็นส่วนประกอบในการปรับทิศทางการส่ายของพัดลม ฯลฯ