กลไก ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์

ในชีวิตประจำวันมีการใช้กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์เป็นส่วนประกอบในการสร้างหรือพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ เช่น โทรทัศน์ หม้อหุงข้าว โดยเทคโนโลยีบางอย่างอาจมีการทำงานที่ซับซ้อน ต้องใช้กลไก อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลายอย่างร่วมกัน

 

กลไก (mechanism)

กลไก (Mechanism) หมายถึง สิ่งที่ทำให้ระบบมีการขับเคลื่อนหรือดำเนินอยู่ได้ โดยมีการจัดสรรทรัพยากร มีการจัดองค์การ หน่วยงาน หรือกลุ่มบุคคลเป็นผู้ดำเนินงาน

มนุษย์รู้จักการนำอุปกรณ์บางประเภทเข้ามาช่วยในการทำงานและช่วยอำนวยความสะดวกตั้งแต่อดีต เช่น รอก พื้นเอียง คาน และได้พัฒนาเป็นกลไกต่างๆ โดยประยุกต์ใช้เป็นส่วนประกอบในการสร้างและพัฒนาเทคโนโลยี ตัวอย่างกลไกที่จะแนะนำให้รู้จักคือ เฟือง และรอก

เฟือง (gears) เป็นชิ้นส่วนเครื่องกลที่มีรูปร่างเป็นจานแบนรูปวงกลม ตรงขอบมีลักษณะเป็นแฉก (เรียกว่าฟันเฟือง) ซึ่งสามารถนำไปประกบกับเฟืองอีกตัวหนึ่ง ทำให้เมื่อเฟืองตัวแรกหมุน เฟืองตัวที่สองจะหมุนในทิศทางตรงกันข้าม เกิดเป็นระบบส่งกำลังขึ้น

 

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. รอกเดี่ยวตายตัว ไม่ผ่อนแรงแต่ช่วยอำนวยความสะดวกในการทำงาน
  2. รอกเดี่ยวเคลื่อนที่ ผ่อนแรงได้  2  เท่า
  3. รอกพวง   ผ่อนแรงได้มากหรือน้อยขึ้นอยู่กับจำนวนเส้นเชือกที่คล้องผ่านรอก

 

แรงที่เกิดจากน้ำหนักของวัตถุที่จะใช้รอกยก  เรียกว่า  แรงต้านทาน   ส่วนแรงที่กระทำต่อเชือกเพื่อดึงวัตถุให้ยกสูงขึ้น  เรียกว่า  แรงพยายาม
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

2. รอกเดี่ยวเคลื่อนที่ ( Movable Pulley ) เป็นลอกที่ช่วยอำนวยความสะดวกและช่วยผ่อนแรง

ให้    E+T     =            W
T        =             E ( เพราะเป็นเชือกเส้นเดียวกัน )
E+E     =             W
2E       =             W
การคำนวณ สูตร E = W/2

3.  รอกพวง ( Block Pulley) เกิดจากการนำรอกหลายๆอันมาผูกกันเป็นพวงเดียว ทำให้ผ่อนแรงมากขึ้น การคำนวณให้คิดทีละตัว แบบรอกเดียว

 

อุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์

ปัจจุบันเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ที่ใช้ในชีวิตประจำวันมีส่วนประกอบของอุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กทรอนิกส์หลายอย่างทำงานร่วมกัน และอาจต้องอาศัยการทำงานของเซ็นเซอร์ (sensor) แผงควบคุมขนาดเล็ก (microcontroller board) และเครื่องจักรกลไฟฟ้า เช่น มอเตอร์ ตัวอย่างอุปกรณ์ไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และเซ็นเซอร์ มีดังนี้

มอเตอร์ (motor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้าส่วนใหญ่เกิดจากการทำงานร่วมกันระหว่างสนามแม่เหล็กของแม่เหล็กในตัวมอเตอร์ และสนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสในขดลวดทำให้เกิดแรงดูดและแรงผลักของสนามแม่เหล็กทั้งสอง

 

ตัวต้านทาน (resistor) เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดหนึ่งที่มีคุณสมบัติในการต้านการไหลผ่านของกระแสไฟฟ้า ทำด้วยลวดต้านทานหรือถ่านคาร์บอน เป็นต้น ถ้าอุปกรณ์นั้นมีความต้านทานมาก กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านจะน้อยลง เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าชนิดพาสซีฟสองขั้ว ที่สร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าคร่อมขั้วทั้งสอง (V) โดยมีสัดส่วนมากน้อยตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน (I) อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ และปริมาณกระแสไฟฟ้า ก็คือ ค่าความต้านทานทางไฟฟ้า หรือค่าความต้านทานของตัวนำมีหน่วยเป็นโอห์ม ( สัญลักษณ์ : Ω ) เขียนเป็นสมการตามกฎของโอห์ม ดังนี้ R=V/I

 

ไดโอด (diode) เป็นชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ชนิดสองขั้วคือขั้ว p และขั้ว n ที่ออกแบบและควบคุมทิศทางการไหลของประจุไฟฟ้า มันจะยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลในทิศทางเดียว และกั้นการไหลในทิศทางตรงกันข้าม

 

เซ็นเซอร์ตรวจจับการสัมผัส (touch sensor) เป็นวัตถุชนิดหนึ่งที่มีหน้าที่ตรวจจับเหตุการณ์หรือการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมของตัวมันเอง จากนั้นมันก็จะให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกันออกมา

 

เซ็นเซอร์ตรวจจับแสง (Optical Sensor) คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เปลี่ยนแปลงค่าความต้านทาน หรือการนำไฟฟ้า ที่ไหลผ่านตัวมันได้ เมื่อมีแสงมาตกกระทบ มีหลายชนิด ดังนี้

ตัวต้านทานแปรค่าตามแสง LDR (ย่อมาจาก Light Dependent Resistor) คืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ตรวจจับแสง โดยหามีแสงมาตกกระทบน้อย จะทำให้มีความต้านทานมาก และหากมีแสงมาตกกระทบมาก ความต้านทานจะน้อยลง

 

เซ็นเซอร์ตรวจจับอุณหภูมิ (temperature sensor) เป็นเซ็นเซอร์เพื่อการรับรู้หรือตรวจจับระดับอุณหภูมิ โดยทั่วไปเราจะพบเห็นเซ็นเซอร์นี้อยู่ 2 หมวดใหญ่ตามหลักการใช้งานที่แตกต่างกัน ดังนี้

1.Contact คือ เป็นแบบที่ใช้ในการสัมผัสของตัวเซ็นเซอร์เพื่อวัดอุณหภูมิ เช่น เซ็นเซอร์ที่วัดอุณหภูมิเครื่องปรับอากาศ, เครื่องฟักไข่, เตาอบ

2.Non-contact คือ เป็นแบบที่ใช้หลักการของอินฟาเรดโดยไม่สัมผัสกับวัตถุที่จะวัดอุณหภูมิ เช่น เครื่องวัดอุณหภูมิอินฟาเรดแบบปืนที่ใช้วัดไข้ และตัวร้อน ของทางการแพทย์

 

แผงควบคุมขนาดเล็ก (microcontroller board) อุปกรณ์ควบคุมขนาดเล็ก ซึ่งบรรจุความสามารถที่คล้ายคลึงกับระบบคอมพิวเตอร์ โดยในไมโครคอนโทรลเลอร์ได้รวมเอาซีพียู, หน่วยความจำ และพอร์ต ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักสำคัญของระบบคอมพิวเตอร์เข้าไว้ด้วยกัน โดยทำการบรรจุเข้าไว้ในตัวถังเดียวกัน

 

 

กิจกรรม

ครูเตรียมอุปกรณ์ดังนี้

  1. ถ่ายไฟฉาย
  2. ไดโอดเรืองแสง
  3. เหรียญสิบบาท
  4. ธนบัตรใบละยี่สิบบาท
  5. ลวดหนีบกระดาษ
  6. ดินสอ

ครูสร้างสถานการณ์ว่านักเรียนชั้น ม.4 จำนวน 5 คนติดอยู่ในถ้ำ นักเรียนไม่มีไฟฉายไป แต่มีอุปกรณ์คือ ถ่ายไฟฉาย ไดโอดเรืองแสง เหรียญสิบบาท ธนบัตรใบละยี่สิบบาท ลวดหนีบกระดาษ และดินสอ นักเรียนจะต้องต่อไดโอดเรืองแสงเข้ากับถ่ายไฟฉาย แต่มีข้อแม้ว่าถ้านำไดโอดเรืองแสงต่อเข้ากับถ่ายไฟฉายโดยตรง ไดโอดเรืองแสงจะขาด

 

 

 

 

อ้างอิง

สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, “เทคโนโลยี(การออกแบบและเทคโนโลยี)”, โรงพิมพ์แห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, ศูนย์หนังสือแห่งจุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย, 2561 หน้า 85

บุรินทร์ รุจจนพันธุ์, “ระบบและกลไก คืออะไร”, http://www.thaiall.com/blog/burin/78/ สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “เฟือง”, https://th.wikipedia.org/wiki/เฟือง สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

ศูนย์วิทยาศาสตร์เพื่อการศึกษาขอนแก่น, “บทเรียนวิทยาศาสตร์ออนไลน์ เรื่อง เครื่องผ่อนแรง”, http://www.kksci.com/elreaning/rang/page/rang_1.htm สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “มอเตอร์”, https://th.wikipedia.org/wiki/มอเตอร์ สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

commandronestore.com, “Brushless Motor คืออะไร?”, http://commandronestore.com/products/bc2212.php สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “ตัวต้านทาน”, https://th.wikipedia.org/wiki/ตัวต้านทาน สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “ไดโอด”, https://th.wikipedia.org/wiki/ไดโอด สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

SONTHAYA NONGNUCH, “เซ็นเซอร์แสง (Optical Sensor)”, http://www.elec-za.com/เซ็นเซอร์แสง-optical-sensor/ สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

บริษัท แฟ็คโตมาร์ท จำกัด, “Temperature Sensor คืออะไร”, https://www.factomart.com/th/level-flow-pressure-temperature-humidity-control/temperature-humidity-control/temperature-sensors.html สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61

วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี, “ไมโครคอนโทรลเลอร์”, https://th.wikipedia.org/wiki/ไมโครคอนโทรลเลอร์ สืบค้นวันที่ 5 ก.ย. 61