转动的齿轮

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  本期封面上的数学元素,同学们看出来了吗?封面上的小男孩正在使劲转动着齿轮,齿轮里隐藏着哪些有趣的数学知识呢?
   在机械学中,最具代表性的器械就是齿轮传动装置。什么是传动装置呢?简单来说,它就是一个装有许多齿轮的联合体,当一个齿轮开始转动时,邻近的齿轮也会跟着转动。
   我们通常见到的齿轮,基本都是圆形。观察齿轮的制作过程,你会发现,它的毛坯一般是薄圆柱形,在这个圆柱形的毛坯上加工出一个个凹槽,就制成了齿轮。
   齿轮为什么总是圆的
   不过,同学们有没有想过,齿轮为什么是圆形,而不是椭圆形或者其他形状呢?我们可以通过实验来看看。如果这里有一种齿轮,一边是圆形,另一边是椭圆形。(如图1)
   我们把轴分别安装在圆的圆心及椭圆的中心处,使两轴间的距离等于圆半径和椭圆较长的轴的和。那么,当齿轮稍微一转动,齿轮马上就发生脱空现象(如图2),两个齿轮再也碰不到一起了。这可真是太糟了!
   当然,圆形的齿轮能保证圆周上的任意一点和圆心的距离都是固定的,齿轮旋转时才能够平稳、匀速而连续地传递动力。看来齿轮跟车轮一样,还是做成圆形更科学合理。
   转动着的齿轮
   再观察一下齿轮的转动,我们会发现一个特别的性质——两个紧紧咬在一起的齿轮,它们的转动方向总是相反的!
   如果齿轮A逆时针旋转,紧挨着的齿轮B一定会顺时针旋转。
   几个大小不等的齿轮咬合在一起转动时,齿轮转动的速度也是不同的。它们的速度决定于各齿轮半径的大小,而齿轮半径的大小与齿轮的轮齿数成正比。也就是说,两个齿轮间的转速比,与两齿轮的轮齿数有关。轮齿数越多,转速越慢;齿轮数越少,转速越快。
   怎么样才能使两个齿轮A和B朝同一方向转动呢?答案很简单,在两个齿轮中间加一个起传动作用的第三齿轮C——这种情况下,如果齿轮A逆时针旋转,齿轮C顺时针旋转,齿轮B一定會变成逆时针旋转。
   考考你
   下图的六个齿轮之间是相互咬合的。请问:1号齿轮逆时针转动时,6号齿轮向哪个方向运动?
   答案1号齿轮逆时针转动,根据两个咬在一起齿轮旋转方向相反的原理,可以知道,2号齿轮顺时针转动,3号逆时针,4号顺时针,5号逆时针,6号顺时针转动!
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