歯車

スピードのためのギア
このシンプルなギアボックスには、（右から左に）歯数が 40 の大きな歯車、歯数が 20 の中程度の歯車、歯数が 10 の小さな歯車があります。大きな歯車を 1 回転させると、中程度の歯車は 2 回転して追いつく必要があります。同様に、中程度の歯車が 1 回転すると、小さな歯車は 2 回転して追いつく必要があります。したがって、右側の大きな歯車を回転させると、左側の小さな歯車は 4 倍の速さで回転しますが、回転力は 4 分の 1 になります。このギアボックスは、速度を上げるために設計されています。

力のための歯車
同じギアボックスを反対方向に動かし、小さな車輪を回すと、大きな車輪は 4 分の 1 の速度で回転しますが、力は 4 倍になります。これは、たとえば大型トラックを坂道に乗せる必要がある場合に役立ちます。

ウォームギア
ここでは、電動モーター (右側の灰色のボックス) と長いネジのようなギア (ウォームと呼ばれる) を使用して、大きなギア ホイール (ウォーム ホイールとして知られています) を駆動しています。この配置は、ウォーム ギアまたはウォーム ドライブと呼ばれます。モーターの速度を下げて大きなホイールをより大きな力で回転させますが、ギア駆動の機械の回転方向を変更するのにも役立ちます。通常のギア ホイールと同じ機能を果たしますが、占有するスペースははるかに少なくなります。

ラック＆ピニオンギア
崖や丘を登るラック式鉄道で見たことがあると思いますが、車のステアリング システム、はかり、その他多くの種類の機械でも使用されています。ラック アンド ピニオン ギアでは、ゆっくり回転する歯車 (ピニオン) が平らな隆起したバー (ラック) と噛み合います。ラックが固定されている場合、歯車はラックに沿って移動します (鉄道の場合と同様)。歯車が固定されている場合は、代わりにピニオンが移動します。これが車のステアリングで発生します。ピニオンに接続されたステアリング ホイールを回すと、ラックが左右に移動し、車の前輪が左または右に旋回します。単純なはかりでは、上部の皿に重りを載せると、ラックが真下に押され、ピニオンが回転します。ピニオンには指針が接続されており、指針も回転して、ダイヤルに重量を表示します。

太陽歯車と惑星歯車
往復運動を回転運動に変換する必要がある場合、通常はクランクシャフトとコネクティングロッドを使用します。これは、ピストンが蒸気エンジンの車輪を駆動する方法です。しかし、ギアを使用しても同じことができます。この配置では、プラネットと呼ばれる小さなギア（回転しないようにロッドに固定されていることに注意してください）が、サンと呼ばれる2番目の（通常はより大きな）ギアの周りを移動します。ロッドがプラネットを前後に動かすと、太陽が回転します。太陽ギアとプラネットギアは、ジェームズワットによって普及しました。ワットは、もともと特許で保護されていたため、彼の先駆的な蒸気エンジンにクランクシャフトを使用できませんでした。（ウィキメディアコモンズに、太陽ギアとプラネットギアの素晴らしい小さなアニメーションがあります。2つのギアにインクで描かれた黒い線に注目してください。太陽は回転しますが、惑星は回転しません。）

ベベルギア
機械の動力の方向を 90 度 (または他の角度) 変えたい場合は、ベベル ギアと呼ばれる角度のついた歯車を使用できます。通常、ベベル ギアは切り取られた円錐のような形をしており、基本原理は常に同じです。つまり、ある方向から入ってくる動力は、別の方向に出ていくように変換されます。これは通常の歯車のペアでも実現できますが、ベベル ギアでは一度に接触する歯の数が多く (各歯の面積も大きい) なっています。これにより、よりスムーズで静かになり、ストレスが軽減され、ギアがさまざまな負荷にうまく対応できるようになります。一番上の写真のギアボックスのクローズアップであるこの写真では、さまざまなベベル ギアが懸命に動いているのがわかります。