สิ่งของเครื่องใช้ต่างๆ สร้างขึ้นจากวัสดุหลายประเภท วัสดุแต่ละประเภทมีสมบัติและลักษณะที่แตกต่างกัน การเลือกใช้วัสดุให้ถูกต้องและเหมาะสมจึงมีความสำคัญต่อการออกแบบและสร้างสิ่งของเครื่องใช้
วัสดุที่นำมาทำสิ่งของเครื่องใช้ที่เราพบเจอในชีวิตประจำวัน เช่น ไม้ โลหะ พลาสติก ยาง มีสมบัติและการใช้งานที่แตกต่างกัน (นักเรียนสามารถทบทวนความรู้เกี่ยวกับวัสดุในชีวิตประจำวันได้ที่ www.krui3.com/content/materials-in-daily-life)
วัสดุฉลาด (Smart Materials) คือ วัสดุที่มีความสามารถในการตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอก เช่นมีรูปร่างเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ หรือมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า เช่น เลนส์ของแว่นตากันแดดสามารถปรับสีได้เองตามความเข้มของแสง
วัสดุชีวภาพ (Biomaterials) คือ วัสดุที่สามารถเป็นส่วนประกอบ หรือฝังอยู่ภายในร่างกายของมนุษย์ได้เพื่อใช้เป็นวัสดุทดแทนส่วนต่างๆ ในร่างกายที่เสียหายจากโรค หรือสาเหตุอื่นๆ เช่นขาเทียมหรือกระดูกเทียมที่ทำจากโลหะผสมที่เป็นมิตรต่อร่างกายได้แก่ โลหะไทเทเนียมผสม และโลหะผสมระหว่างโคบอลต์กับโครเมียม
เส้นใยแก้วนำแสง (Fibers Optic) เป็นตัวกลางของสัญญาณแสงชนิดหนึ่ง ที่ทำมาจากแก้วซึ่งมีความบริสุทธิ์สูงมาก เส้นใยแก้วนำแสงมีลักษณะเป็นเส้นยาวขนาดเล็ก มีขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์ เส้นใยแก้วนำแสงที่ดีต้องสามารถนำสัญญาณแสงจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งได้โดยมีการสูญเสียของสัญญาณแสงน้อยมาก เส้นใยแก้วนำแสงสามารถแบ่งตามความสามารถในการนำแสงออกได้เป็น 2 ชนิด คือเส้นใยแก้วนำแสงชนิดโหมดเดี่ยว(Single mode Optical Fibers) และเส้นใยแก้วนำแสงชนิดหลายโหมด (Multimode Optical Fibers)
เครื่องกลในการสร้างชิ้นงาน
เครื่องกล (Mechanical) เป็นเครื่องมือที่สร้างขึ้นมาเพื่อช่วยผ่อนแรงหรืออำนวยความสะดวกในการทำงาน โดยออกแรงเพียงเล็กน้อย ก็สามารถยกของที่มีน้ำหนักมากๆ ได้ (นักเรียนทบทวนความรู้เกี่ยวกับล้อและเพลาได้ที่ www.krui3.com/content/mechanism)
1. รอก (pulley) เป็นวิวัฒนาการมาจากลูกล้อ และมีความมุ่งหมายที่จะลดความฝืดในการเปลี่ยนทิศทางของแรง เช่น ลูกรอกบนยอดเสาธง ช่วยเปลี่ยนทิศแรงที่คนชักเชือกลงให้เป็นแรงฉุดธงขึ้น และลดความเสียดทานระหว่างเชือกกับเสาธง การใช้ลูกรอกเพียงลูกเดียว ไม่อาจจะช่วยผ่อนแรงได้ แต่ถ้าใช้ลูกรอกสองลูกให้ลูกบนเป็นลูกที่ตรึงติด ลูกล่างเคลื่อนที่ได้ ผูกเชือกกับรอกลูกบนแล้วคล้องกับรอกลูกล่าง เอาเชือกกลับขึ้นไปพาดกับรอกลูกบนอีกในลักษณะนี้ น้ำหนักถูกแขวนไว้ด้วยเชือกสองเส้น แรงดึงในเชือกแต่ละเส้นจึงเท่ากับครึ่งเดียวของน้ำหนักที่ยกและเท่ากับแรงที่ใช้ฉุดยก ดังนั้น ถ้าเพิ่มจำนวนลูกรอกที่ติดตรึงและที่เคลื่อนที่ได้ให้เป็นรอกตับสองตับ คือ ตับบนและตับล่าง รอกตับชุดนั้นก็จะสามารถผ่อนแรงได้มากยิ่งขึ้น อัตราในการผ่อนแรงของรอกตับนั้นขึ้นกับจำนวนเส้นเชือกที่พันทบระหว่างลูกรอกทั้งสองตับนั้น เช่น มีเชือกสี่เส้นก็จะผ่อนแรงได้สี่เท่า แต่แรงพยายามจะต้องฉุดเชือกเป็นความยาวถึงสี่เท่าของระยะที่น้ำหนักนั้นถูกยกขึ้นไป ปั้นจั่นที่ใช้ตามท่าเรือ หรือสถานที่ก่อสร้าง ก็คือ เครื่องจักรกลแบบง่าย ๆ ซึ่งใช้เครื่องผ่อนแรงแบบลูกรอก รวมกับระบบผ่อนแรงแบบอื่นๆ เข้าไว้ในเครื่องเดียวกัน
รอก คือ เครื่องกลที่ช่วยอำนวยความสะดวก หรือช่วยผ่อนแรงในการทำงาน แบ่งเป็น 3 ประเภท คือ
1.1 รอกเดียวตายตัว (Fixed Pulley) เป็นรอกที่ไม่ช่วยผ่อนแรง แต่ช่วยอำนวยความสะดวก
ให้ E = แรงดึง ( นิวตัน )
w = น้ำหนักหรือความต้านทาน ( นิวตัน )
T = แรงตึงของเชือก ( นิวตัน )
เมื่อดึงวัตถุเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่
E = T
T = W
การคำนวณ สูตร E = W
1.2 รอกเดี่ยวเคลื่อนที่ (Movable Pulley) เป็นลอกที่ช่วยอำนวยความสะดวกและช่วยผ่อนแรง
ให้ E+T = W
T = E
(เพราะเป็นเชือกเส้นเดียวกัน)
E+E = W
2E = W
การคำนวณ สูตร E = W/2
1.3 รอกพวง (Block Pulley) เกิดจากการนำรอกหลายๆอันมาผูกกันเป็นพวงเดียว ทำให้ผ่อนแรงมากขึ้น การคำนวณให้คิดทีละตัว แบบรอกเดียว
หรือ สูตร E = W/2กำลังn
n = จำนวนลอกที่เคลื่อนที่
2. คาน (Level) เครื่องกลที่มีลักษณะแข็ง เป็นแท่งยาว ใช้ดีดหรืองัดวัตถุให้เคลื่อนที่รอบจุดหมุน (F) ส่วนประกอบที่สำคัญของคานได้แก่ แรงพยายาม (E) และแรงต้านทาน (W)
ตัวอย่างของคาน
3. พื้นเอียง (Inclined Plane) คือ เครื่องกลที่ใช้ในการผ่อนแรงมีลักษณะเป็นไม้กระดานยาวเรียบใช้พาดบนที่สูง โดยการลากหรือผลัก ช่วยอำนวยความสะดวกในการขนย้ายสิ่งของขึ้นหรือลง
4. ลิ่ม (Wedge) คือ เครื่องกลที่ใช้ผ่อนแรง มีลักษณะปลายด้านหนึ่งแบนหรือแหลม ส่วนอีกด้านหนึ่งเป็นหน้าเรียบ ใช้แยกเนื้อวัตถุออกจากกันด้วยการให้แรงในแนวตั้งฉากกับส่วนหัวที่เป็นด้านเรียบ จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแรงตั้งฉากไปเป็นแรงในแนวตั้งฉากกับพื้นเอียง
เสียงและอุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียง
เสียง เป็นคลื่นเชิงกลที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของวัตถุ เมื่อวัตถุสั่นสะเทือน ก็จะทำให้เกิดการอัดตัวและขยายตัวของคลื่นเสียง และถูกส่งผ่านตัวกลาง เช่น อากาศ ไปยังหู แต่เสียงสามารถเดินทางผ่านสสารในสถานะก๊าซ ของเหลว และของแข็งก็ได้ แต่ไม่สามารถเดินทางผ่านสุญญากาศได้ เมื่อการสั่นสะเทือนนั้นมาถึงหู มันจะถูกแปลงเป็นพัลส์ประสาท ซึ่งจะถูกส่งไปยังสมอง ทำให้เรารับรู้และจำแนกเสียงต่างๆ ได้
อุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียง
อุปกรณ์ที่ทำให้เกิดเสียงมีอยู่มากมาย เช่น เครื่องดนตรี ระฆัง การพูดคุย โดยมีหลักการที่เหมือนกันก็คือ เสียงต้องการตัวกลางในการเดินทางมาถึงหูผู้ฟัง ดังนั้นเราจึงควรศึกษาเกี่ยวกับแหล่งกำเนิดเสียงว่ามีการทำงานอย่างไรจึงเกิดเสียงขึ้นมาได้
ลำโพง (Speaker) ทำหน้าที่เปลี่ยนสัญญาณทางไฟฟ้าที่ได้มาจากเครื่องขยายเป็นสัญญาณเสียง เสียงเกิดจากมีสัญญาณไฟฟ้ากระแสสลับเข้าไปในคอยส์เสียง จึงทำให้แผ่นลำโพงสั่นลักษณะเคลื่อนที่ขึ้นและลง ส่งผลให้เกิดการอัดอากาศด้านหน้าจึงเกิดคลื่นเสียงขึ้น การสั่นเร็วหรือช้าขึ้นอยู่กับความถี่ และเสียงจะดังหรือเบาขึ้นอยู่กับแอมปลิจูดของสัญญาณไฟฟ้า ดังนั้นขนาดของลำโพงมีความสำคัญมาก
บัซเซอร์ (Buzzer) คือ ลำโพงแบบแม่เหล็ก มีวงจรกำเนิดความถี่อยู่ภายในตัวเอง ลักษณะการทำงานเกิดจากการป้อนแรงดันไฟฟ้าทำให้เกิดเสียงได้ด้วยตัวเอง แต่ไม่สามารถเปลี่ยนความถี่ของเสียงได้ เช่นเสียงปี๊บที่อยู่ในคอมพิวเตอร์ ตัวจับเวลา การสัมผัสหน้าจอโทรศัพท์ เป็นต้น
วงจรไฟฟ้าและการต่อตัวต้านทาน
วงจรไฟฟ้าเกิดขึ้นได้เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านซึ่งแบ่งกระแสไฟฟ้าได้เป็น 2 ชนิดคือไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ
อุปกรณ์ไฟฟ้าในบ้านมีสิ่งหนึ่งที่ถูกติดตั้งมาเหมือนกันคือ ตัวต้านทาน ซึ่งถูกติดตั้งอยู่ในวงจรการทำงานทุกเครื่อง ดังนั้น การต่อตัวต้านทานจึงมีความสำคัญมากต่อการใช้งานเครื่องใช้ไฟฟ้า เพราะอุปกรณ์ต่างๆ ต้องการกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกัน การต่อวงจรไฟฟ้าต่างๆ จึงมีวิธีการต่อตัวต้านทานได้ 2 แบบคือ แบบอนุกรมและแบบขนาน
การต่อวงจรตัวต้านทานแบบอนุกรม (Series Resistor Circuit) เป็นการต่อตัวต้านทานแบบปลายต่อปลาย เรียงแถวกันไปจนครบทุกตัว แล้วนำปลายขาของตัวต้านทานที่เหลือนำไปใช้งาน ซึ่งมีลักษณะของวงจรอนุกรมดังรูป
ความต้านทานรวม (RT) = R1 + R2 + R3 + …………Rn
E = V1 + V2 + V3 + Vn
การต่อวงจรตัวต้านทานแบบอนุกรม จะมีค่าของความต้านทานเพิ่มมากขึ้นเท่ากับผลรวมของค่าความต้านทานแต่ละตัวในวงจร แต่อัตราทนกำลังไฟฟ้ารวมของวงจรจะมีค่าเท่ากับอัตราทนกำลังไฟฟ้าของตัว ต้านทานที่มีค่าต่ำสุดในวงจรอนุกรม และกระแสผ่านความต้านทานทุกตัวมีค่าเท่ากัน
การต่อวงจรตัวต้านทานแบบขนาน (Parallel Resistor Circuit) เป็นลักษณะของการต่อวงจรโดยการนำเอาปลายขาข้างหนึ่งของตัวต้านทานแต่ละตัวมาต่อรวมกัน แล้วต่อปลายขาข้างที่เหลือรวมกันอีกครั้งหนึ่ง โดยที่ปลายขาที่จับมาต่อรวมกันทั้งสองข้างจะเป็นปลายขาที่นำไปต่อใช้งาน ดังรูป
แรงดันไฟฟ้า E = V1 = V2 = V3 = …………Vn
I = I1 +I2 +I3 + In
วงจรไฟฟ้าอย่างง่าย
เมื่อนำถ่านไฟฉาย สายไฟ หลอดไฟฟ้า มาต่อกันแล้ว หลอดไฟฟ้าสว่าง แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าผ่านหลอดไฟฟ้า โดยกระแสไฟฟ้ามีทิศทางจากขั้วบวกของถ่านไฟฉาย ผ่านสายไฟ และหลอดไฟฟ้า ไปยังขั้วลบของถ่านไฟฉาย จนครบวงจรแบบนี้เรียกว่า วงจรไฟฟ้าปิด (หลอดติด) แต่ถ้าต่อแล้วไม่ครบวงจรหลอดไฟฟ้าไม่สว่าง เรียกว่า วงจรไฟฟ้าเปิด (หลอดดับ)
อ้างอิง
เมษ์ ศรีพัฒนาสกุล, “เทคโนโลยี(การออกแบบและเทคโนโลยี)”, พิมพ์ครั้งที่ 2 อักษรเจริญทัศน์ อจท, 2562 หน้า 14
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, “เทคโนโลยี(การออกแบบและเทคโนโลยี)”, โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, ศูนย์หนังสือแห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2561 หน้า 85
บุรินทร์ รุจจนพันธุ์, “ระบบและกลไก คืออะไร”, http://www.thaiall.com/blog/burin/78/ สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61
ศูนย์วิทยาศาสตร์เพื่อการศึกษาขอนแก่น, “บทเรียนวิทยาศาสตร์ออนไลน์ เรื่อง เครื่องผ่อนแรง”, http://www.kksci.com/elreaning/rang/page/rang_1.htm สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61
TruePlookpanya, “หลักการทำงานของคาน”, https://www.trueplookpanya.com/knowledge/content/71147/-blo-sciphy-sci- สืบค้นวันที่ 23 พ.ค. 62
โรงเรียนโกวิทธำรงเชียงใหม่, “เครื่องกลอย่างง่าย”, http://www.eduktc.com/main.php?inc=chap&chid=809 สืบค้นวันที่ 23 พ.ค. 62
วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “เสียง”, https://th.wikipedia.org/ สืบค้นวันที่ 23 พ.ค. 62
kroo-suchat.com, “การต่อวงจรความต้านทาน”, http://www.kroo-suchat.com/index.php/2018-03-19-11-59-31 สืบค้นวันที่ 23 พ.ค. 62
โรงเรียนอนุบาลเชียงใหม่, “วงจรไฟฟ้า”, http://webhtml.horhook.com/wbi/ec/1circuit-04.htm สืบค้นวันที่ 23 พ.ค. 62
