科目
機構学
章
カムと間欠運動
図番
10 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
機構学 10 / 12

回しつづけても、4分の3は止まっているゼネバ機構(間欠運動)

溝が4つのゼネバ機構は、原動車が 90° 回る間だけ従動車を 90° 進め、残りの 270° は止めておく。溝を6つにすると動く間は 120°、1回に進むのは 60° で、毎秒24こまの映写機ならフィルムは 41.7 ms のうち 10.4 ms だけ動く。

映写機のフィルム送りの中。ピンの付いた円板が回り、4つの溝のある十字形の車に入って、車を4分の1回転ずつ送る

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 映写機のフィルムは、どうやって1こまずつ止まる?
  2. 公式はこれ
  3. ピンが溝に入っている間だけ回る
  4. 溝を6つにすると
  5. いちばん速いのは中ほど
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 映写機に戻る
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 溝が4つのゼネバ機構では、原動車が 90° 回る間だけ従動車が動き、残りの 270° は止まっている。
  2. 溝を6つにすると、動くのは原動車の 120° の間で、1回に進むのは 60°。角度は溝の数だけで決まる。
  3. ピンが溝に滑らかに入るのは、ピンの回る半径が R=Csin⁡(180∘/n)\sgvR = \sgvC\sin(180^{\circ}/\sgvN) のとき。従動車がいちばん速く回るのは、動いている間の中ほど。

映写機のフィルムは、どうやって1こまずつ止まる?

映画のフィルムは、少しずつ違う写真が、帯の上にずらりと並んだものです。1枚1枚を「こま」といいます。

映写機は、このこまを1枚ずつスクリーンに映します。音の入った映画では、1秒に 24こまです。

ここで大事なのは、映している間、こまが止まっていることです。動いたまま映すと、絵が流れてぶれます。パラパラ漫画も、1枚ずつ止まって見えるから、動いて見えます。

フィルムを「進めて、止めて、進めて、止めて」と送る。しかも1秒に24回。モータは一定の速さで回り続けているのに、どうすれば、そんな動きが作れるのでしょうか。

答えの1つが、ゼネバ機構です。一定の速さで回る原動車(ピンの付いた円板)が、溝の付いた従動車を、溝1つぶんずつ回しては止めます。このように、動いては止まる動きを間欠運動といいます。

溝が4つのゼネバ機構で、原動車が1回転する間、従動車は、原動車がどれだけ回る間、動いているでしょうか。

予想してから読む溝が4つのゼネバ機構。原動車の1回転(360°)のうち、従動車が動いているのは、原動車が何度回る間?

公式はこれ

θm=180∘−360∘n,Δβ=360∘n,R=Csin⁡180∘n\sgvMove = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\sgvN}, \qquad \sgvIndex = \dfrac{360^{\circ}}{\sgvN}, \qquad \sgvR = \sgvC\sin\dfrac{180^{\circ}}{\sgvN}
記号 意味 溝が4つのとき(中心距離 100 mm)
n\sgvN 従動車の溝の数 4
θm\sgvMove 従動車が動いている間に、原動車が回る角度 90°(止まっているのは 270°)
Δβ\sgvIndex 従動車が1回に進む角度 90°
C\sgvC 中心距離(原動車と従動車の軸の間) 100 mm
R\sgvR ピンの回る半径(原動車の中心からピンまで) 70.7 mm

答えは 90° です。原動車が 90° 回る間だけ従動車が動き、残りの 270° は止まっています。

この式は、ピンが溝に入る瞬間の形から出てきます。

ピンが溝に入っている間だけ回る

ピンは、円を描くことしかできない

原動車のピンは、原動車の中心 O₁ から、いつも同じ距離 R\sgvR の所にあります。長さの決まった棒の先と同じで、ピンは O₁ のまわりに円を描くことしかできません。4節リンク(グラスホフの条件) で使った「コンパスの交点」の考え方です。

従動車の溝は、従動車の中心 O₂ から、まっすぐ外へ向かって切ってあります。ピンが溝に入っている間、溝はいつも「O₂ とピンを結ぶ線」の上にあります。だから、従動車の向きは、O₂ からピンへ引いた線の向きで決まります。

ピンが円を回ると、この線の向きが変わり、従動車が回ります。ピンが溝から出ると、従動車を押すものが無くなり、止まります。

滑らかに入るのは、円が溝の線に接するとき

ピンが溝に入る瞬間、ピンが溝の壁にぶつかると、ガツンと衝撃が出ます。ぶつからずに入るには、入る瞬間のピンの進む向きが、溝の向きにそろっていればよいのです。

ピンは円の上を動くので、進む向きは円の接線の向きです。それが溝の線(O₂ からピンへの線)と重なるのは、溝の線が、ピンの円に接するときです。

円の接線は、半径と直角に交わります。だから、入る瞬間、O₁・ピン・O₂ の3点は、ピンの所が直角の直角三角形になります。

R⏟O₁ からピン=C⏟斜辺 O₁O₂×sin⁡180∘n⏟O₂ での角\underbrace{\sgvR}_{\text{O₁ からピン}} = \underbrace{\sgvC}_{\text{斜辺 O₁O₂}} \times \sin\underbrace{\dfrac{180^{\circ}}{\sgvN}}_{\text{O₂ での角}}

O₂ での角が 180∘/n180^{\circ}/\sgvN なのは、溝が 360∘/n360^{\circ}/\sgvN おきに並んでいて、止まっているとき、入ってくる溝は中心線から、その半分だけ傾いているからです。

動いている間の角度を数える

三角形の残りの角、O₁ での角は 90∘−180∘/n90^{\circ} - 180^{\circ}/\sgvN です。ピンは、中心線の手前でこの角度の所で溝に入り、中心線を通り過ぎて、反対側の同じ角度の所で溝から出ます。

θm=2×(90∘−180∘n)=180∘−360∘n\sgvMove = 2 \times \left(90^{\circ} - \dfrac{180^{\circ}}{\sgvN}\right) = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\sgvN}

その間に、従動車は溝1つぶん、Δβ=360∘/n\sgvIndex = 360^{\circ}/\sgvN 回ります。入るとき中心線から 180∘/n180^{\circ}/\sgvN 傾いていた溝が、出るときには反対側へ同じだけ傾くからです。

数で確かめる

溝が4つ、中心距離 100 mm で、使う式に数を入れます。

R=Csin⁡180∘n=100×sin⁡45∘=70.7 mm\sgvR = \sgvC\sin\dfrac{180^{\circ}}{\sgvN} = 100 \times \sin 45^{\circ} = 70.7\ \mathrm{mm} θm=180∘−360∘4=180∘−90∘=90∘\sgvMove = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{4} = 180^{\circ} - 90^{\circ} = 90^{\circ}

原動車の1回転 360° のうち、動くのは 90°、止まっているのは 360° − 90° = 270° です。1回に進むのは 360° ÷ 4 = 90° で、原動車が4回転すると、従動車がちょうど1回転します。

溝を6つにすると

同じ式に、n=6\sgvN = 6 を入れます。

θm=180∘−360∘6=120∘,Δβ=360∘6=60∘\sgvMove = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{6} = 120^{\circ}, \qquad \sgvIndex = \dfrac{360^{\circ}}{6} = 60^{\circ}

動く間は 90° から 120° に長くなり、1回に進む角度は 90° から 60° に小さくなります。止まっているのは 240° です。

ピンの回る半径は 100×sin⁡30∘=50 mm100 \times \sin 30^{\circ} = 50\ \mathrm{mm} で、中心距離のちょうど半分です。

溝の数 n\sgvN 動く間 θm\sgvMove 止まっている間 1回に進む Δβ\sgvIndex ピンの回る半径(C\sgvC = 100 mm)
4 90° 270° 90° 70.7 mm
6 120° 240° 60° 50.0 mm
8 135° 225° 45° 38.3 mm

溝を増やすほど、動く間は 180° に近づきます。ピンが O₂ の側を通る半周の間、ほとんどずっと溝に入っているようになるからです。その代わり、1回に進む角度は小さくなります。

どの行にも、中心距離 C\sgvC は出てきません。角度は溝の数だけで決まり、中心距離は機構の大きさを決めるだけです。

いちばん速いのは中ほど

従動車の角度の式

ピンが溝に入っている間の、従動車の角度 β\sgvBeta を、原動車の角度 θ\skiTheta で書きます。どちらも、中心線から測ります。ピンの位置から、O₂ からピンへの線の傾きを出すと、次の式になります(導き方は、最後の「くわしく」で)。

tan⁡β=λsin⁡θ1−λcos⁡θ,λ=RC=sin⁡180∘n\tan\sgvBeta = \dfrac{\lambda\sin\skiTheta}{1 - \lambda\cos\skiTheta}, \qquad \lambda = \dfrac{\sgvR}{\sgvC} = \sin\dfrac{180^{\circ}}{\sgvN}

溝が4つのとき、原動車の角度ごとに計算すると、次のとおりです。

原動車の角度 θ\skiTheta −45°(入る) −15° 0°(中心線の上) +15° +45°(出る)
従動車の角度 β\sgvBeta −45° −30° 0° +30° +45°

原動車が −15° から +15° までの 30° を回る間に、従動車は 90° のうち 60° を進みます。入口と出口の近くでは、ほとんど進みません。

速さの比

いちばん速いのは、ピンが中心線の上に来たとき(θ=0∘\skiTheta = 0^{\circ})です。このとき、ピンは O₂ にいちばん近く、距離は C−R\sgvC - \sgvR です。ピンの速さは同じでも、中心に近い所を押すほど、従動車は速く回ります。

(ω2/ω)max⁡=RC−R=70.7100−70.7=2.41\sgvWmax = \dfrac{\sgvR}{\sgvC - \sgvR} = \dfrac{70.7}{100 - 70.7} = 2.41

溝が4つなら、いちばん速いとき、従動車は原動車の 2.41倍の角速度で回ります。動いている間の平均は、90° を 90° の間に進むので1倍です。中ほどで、平均の2倍以上に速まっているのです。

反対に、入る瞬間と出る瞬間は、従動車の角速度は 0 です。ピンの進む向きが溝の向きにそろっていて、従動車を回す向きの成分が無いからです。止まった状態から、ゆっくり動き出し、ゆっくり止まります。

溝が6つなら、いちばん速いときも 50/(100−50)=150/(100 - 50) = 1 倍で、溝4つより穏やかです。

どの数字がいちばん効く?

溝の数・中心距離・回転数を変えると、何が変わるかを並べます。

変えるもの 動く間の角度 1回に進む角度 いちばん速いときの比 1回に動いている時間
溝の数を 4 → 5 90° → 108°(+20%) 90° → 72°(−20%) 2.41 → 1.43 +20%
中心距離 C\sgvC を10%大きく 変わらない 変わらない 変わらない 変わらない
回転数 N\skiN を10%大きく 変わらない 変わらない 変わらない −9.1%

動き方の形を決めるのは、溝の数だけです。中心距離は大きさを、回転数は速さを決めます。

映写機に戻る

フィルムの映写機では、溝が4つのゼネバ機構が広く使われてきました。従動車の軸には、フィルムの送り穴にかみ合う歯車(スプロケット)が付いています。35 mm のフィルムは、1こまの両側に送り穴が4つずつ並ぶのが標準です。歯が16枚のスプロケットなら、従動車が4分の1回転(90°)するたびに歯4枚ぶん、つまり1こま進みます。

1秒に24こまなら、原動車は1秒に24回転、つまり 1,440 min⁻¹ で回ります。1こまの時間は 1 ÷ 24 = 0.0417 s、41.7 ms です。

tm=θm360∘×124 s=90∘360∘×41.7 ms=10.4 ms\sgvTm = \dfrac{\sgvMove}{360^{\circ}} \times \dfrac{1}{24}\ \mathrm{s} = \dfrac{90^{\circ}}{360^{\circ}} \times 41.7\ \mathrm{ms} = 10.4\ \mathrm{ms}

フィルムが動いているのは 10.4 ms、止まっているのは 31.3 ms です。1こまの時間の4分の3、こまは止まって映されています。

つまり、ものを作るときは

ゼネバ機構は、モータを一定の速さで回したまま、「決まった角度だけ進めて、止める」を繰り返せます。工場で瓶やふたを並べた丸いテーブルを、1つずつ作業の位置まで回して止める装置(回転テーブル)にも使われます。

止まる時間を長くしたいなら溝を少なく、1回に進む角度を小さく、動きを穏やかにしたいなら溝を多くします。テーブルに止めたい位置が6か所あるなら、溝も6つです。

動かしてみよう

原動車(朱の腕とピン)は、一定の回転数で回ります。ピンが朱の弧の範囲に入ると、青の従動車が回り出し、弧を出ると止まります。下の波形は、従動車が回った角度です。動いては止まる、階段の形になります。

溝の数 n\sgvN を変えると、階段の段の高さ(1回に進む角度)と、段の上がる幅(動いている時間)が変わります。いちばん下のグラフは、従動車の角速度が原動車の何倍かを、原動車の角度ごとに描いたものです。中ほどで山になるのを確かめてください。

「いまの図を残して比べる」を押してから溝の数を変えると、残した図の波形が薄く重なります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 溝の数 n を 6 にして、従動車が動いている間と、1回に進む角度を見る(まだ)
  2. 溝の数 n を 8 にする(中心距離 C は 100 mm のまま)。動いている角度と、下のグラフの山の高さを見る(まだ)
  3. 溝の数を 4 に戻し、中心距離 C を 140 mm にする。動く角度・止まる角度が変わるかを見る(まだ)
mm
min⁻¹
原動車従動車朱の弧の間だけ動く(90°)従動車が回った角度 0°単元ゼネバ機構溝の数4 個距離C = 100 mmいま止まっている
t = 0.00 s
024680100200300時間 t [s]従動車が回った角度 [°]
従動車の角速度 ÷ 原動車の角速度-90-4504590012原動車の角度 θ [°]2.41 倍
動く間の原動車の角度は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

θm=180∘−360∘n\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}}=180∘−360∘4= 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{4}=90∘= 90^{\circ}
動く間の原動車の角度
θm=90∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 90^{\circ}
止まっている間の原動車の角度
θd=270∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_d} = 270^{\circ}
1回に進む角度
Δβ=90∘\htmlClass{q-displacement}{\Delta\beta} = 90^{\circ}
ピンの回る半径(原動車の中心からピンまで)
R=70.71 mm\htmlClass{q-geometry}{R} = 70.71\ \mathrm{mm}
従動車の半径(溝の入口まで)
Rw=70.71 mm\htmlClass{q-geometry}{R_w} = 70.71\ \mathrm{mm}
いちばん速いときの角速度の比
(ω2/ω)max⁡=2.41 \htmlClass{q-flow}{(\omega_2/\omega)_{\max}} = 2.41\
1回に動いている時間
tm=0.5 s\htmlClass{q-flow}{t_m} = 0.5\ \mathrm{s}
途中の計算(導出)を見る
  1. ピンの回る半径(ピンの円が、溝の中心線に接する)

    R=Csin⁡180∘n=100×sin⁡180∘4=70.71 mm\htmlClass{q-geometry}{R} = \htmlClass{q-geometry}{C}\sin\dfrac{180^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 100 \times \sin\dfrac{180^{\circ}}{4} = 70.71\ \mathrm{mm}
  2. 動く間の原動車の角度(360° の残りが、止まっている角度)

    θm=180∘−360∘n=180∘−360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  3. 1回に進む角度(溝1つぶん)

    Δβ=360∘n=360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\Delta\beta} = \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  4. いちばん速いとき(中ほど)の、従動車と原動車の角速度の比

    (ω2/ω)max⁡=RC−R=70.71100−70.71=2.41\htmlClass{q-flow}{(\omega_2/\omega)_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-geometry}{C} - \htmlClass{q-geometry}{R}} = \dfrac{70.71}{100 - 70.71} = 2.41
  5. 1回に動いている時間

    tm=θm360∘×60N=90360×6030=0.5 s\htmlClass{q-flow}{t_m} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\theta_m}}{360^{\circ}} \times \dfrac{60}{\htmlClass{q-flow}{N}} = \dfrac{90}{360} \times \dfrac{60}{30} = 0.5\ \mathrm{s}

よくある勘違い

「溝を増やすほど、フィルムを速く送れる」

溝を増やすと、動く間は長くなりますが、1回に進む角度は小さくなります。

溝の数 1回に進む角度 原動車の1回転で進む割合
4 90° 4分の1回転
8 45° 8分の1回転

送る速さを上げるには、原動車の回転数を上げます。溝の数は、1回に進む角度と、止まっている時間の割合を決めます。

「止まっている間、従動車は自由に回ってしまう」

回りません。原動車には、ピンのほかに、円板(止めるための円板)が付いています。止まっている間は、この円板の丸い縁が、従動車の凹みにぴったり入っていて、従動車が勝手に回るのを止めています。円板には、ピンの側に切り欠きがあり、ピンが従動車を回す間だけ、従動車が回れるようになっています。

「中心距離を変えると、動く角度も変わる」

変わりません。中心距離を変えたら、ピンの回る半径も R=Csin⁡(180∘/n)\sgvR = \sgvC\sin(180^{\circ}/\sgvN) に合わせて変えるからです。三角形の形が同じなので、角度も同じです。ピンの回る半径を、この式からずらすと、ピンが溝に斜めに入り、ガツンと当たります。

この公式が使える条件

  • 外ゼネバ(ピンの付いた原動車が、従動車の外にある形)。溝は、従動車の中心からまっすぐ外へ切ってある
  • ピンの回る半径が R=Csin⁡(180∘/n)\sgvR = \sgvC\sin(180^{\circ}/\sgvN)(ピンが溝に滑らかに入る)
  • 原動車は、一定の回転数で回る
  • ピンの太さ・溝とのすき間・部品のたわみは考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

従動車の角度:O₁ を原点、O₂ を中心線の上の距離 C\sgvC の所に置きます。原動車の角度 θ\skiTheta のとき、ピンは中心線から Rsin⁡θ\sgvR\sin\skiTheta の高さにあり、O₂ からは、中心線に沿って C−Rcos⁡θ\sgvC - \sgvR\cos\skiTheta 離れています。O₂ からピンへの線が中心線となす角が β\sgvBeta なので、

tan⁡β=Rsin⁡θC−Rcos⁡θ=λsin⁡θ1−λcos⁡θ\tan\sgvBeta = \dfrac{\sgvR\sin\skiTheta}{\sgvC - \sgvR\cos\skiTheta} = \dfrac{\lambda\sin\skiTheta}{1 - \lambda\cos\skiTheta}

分母と分子を C\sgvC で割ったのが右の形です。入る瞬間 θ=−(90∘−180∘/n)\skiTheta = -(90^{\circ} - 180^{\circ}/\sgvN) を入れると、β=−180∘/n\sgvBeta = -180^{\circ}/\sgvN になります(溝4つなら −45° と −45°)。

角速度の比:上の式を θ\skiTheta で微分して整理すると、

ω2ω=dβdθ=λ(cos⁡θ−λ)1−2λcos⁡θ+λ2\dfrac{\sgvOmegaTwo}{\skiOmega} = \dfrac{d\sgvBeta}{d\skiTheta} = \dfrac{\lambda(\cos\skiTheta - \lambda)}{1 - 2\lambda\cos\skiTheta + \lambda^2}

入る瞬間は cos⁡θ=sin⁡(180∘/n)=λ\cos\skiTheta = \sin(180^{\circ}/\sgvN) = \lambda なので、分子が 0 になります。滑らかに入る条件が、角速度 0 で動き出すことと同じだと分かります。θ=0\skiTheta = 0 では、分母が (1−λ)2(1 - \lambda)^2、分子が λ(1−λ)\lambda(1 - \lambda) になり、λ/(1−λ)=R/(C−R)\lambda/(1 - \lambda) = \sgvR/(\sgvC - \sgvR) です。

確かめ:この比を、溝に入っている間で足し合わせる(積分する)と、従動車が1回に進む角度 360∘/n360^{\circ}/\sgvN に戻ります。このサイトの計算では、閉じた式・ピンの位置から測った角度・数値微分・数値積分の4つが一致することを確かめています。

例題

例題1 ふたを締める回転テーブル

瓶を6本載せた丸いテーブルを、溝が6つのゼネバ機構で回します。テーブルが止まっている間に、上からふたを締めます。原動車は 20 min⁻¹ で回っています。

(1) テーブルは1回に何度回りますか。また、原動車が何度回る間、テーブルは止まっていますか。(2) 原動車の1回転のうち、テーブルが止まっている時間は何秒ですか。(3) テーブルが1周するのに何秒かかりますか。

ヒント 1 / 2

1回に進む角度は 360∘/n360^{\circ}/n、動く間の原動車の角度は 180∘−360∘/n180^{\circ} - 360^{\circ}/n です。止まっている角度は、その残りです。

ヒント 2 / 2

原動車の1回転の時間は 60/20=360/20 = 3 s です。

答えと解き方を見る
(1) Δβ=60∘,θd=240∘(1)\ \sgvIndex = 60^{\circ},\quad \sgvDwell = 240^{\circ}
(2) 2 s (1回転 3 s のうち。動いているのは 1 s)(2)\ 2\ \mathrm{s}\ \text{(1回転 3 s のうち。動いているのは}\ 1\ \mathrm{s}\text{)}
(3) 18 s(3)\ 18\ \mathrm{s}
  1. ピンの回る半径(ピンの円が、溝の中心線に接する)

    R=Csin⁡180∘n=100×sin⁡180∘6=50 mm\htmlClass{q-geometry}{R} = \htmlClass{q-geometry}{C}\sin\dfrac{180^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 100 \times \sin\dfrac{180^{\circ}}{6} = 50\ \mathrm{mm}
  2. 動く間の原動車の角度(360° の残りが、止まっている角度)

    θm=180∘−360∘n=180∘−360∘6=120∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{6} = 120^{\circ}
  3. 1回に進む角度(溝1つぶん)

    Δβ=360∘n=360∘6=60∘\htmlClass{q-displacement}{\Delta\beta} = \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = \dfrac{360^{\circ}}{6} = 60^{\circ}
  4. いちばん速いとき(中ほど)の、従動車と原動車の角速度の比

    (ω2/ω)max⁡=RC−R=50100−50=1\htmlClass{q-flow}{(\omega_2/\omega)_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-geometry}{C} - \htmlClass{q-geometry}{R}} = \dfrac{50}{100 - 50} = 1
  5. 1回に動いている時間

    tm=θm360∘×60N=120360×6020=1 s\htmlClass{q-flow}{t_m} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\theta_m}}{360^{\circ}} \times \dfrac{60}{\htmlClass{q-flow}{N}} = \dfrac{120}{360} \times \dfrac{60}{20} = 1\ \mathrm{s}

20 min⁻¹ は、1分に20回転なので、1回転に 60 ÷ 20 = 3 s かかります。止まっているのは、そのうちの 240° ÷ 360° = 3分の2 です。

テーブルは原動車の1回転で 60° 進むので、1周(360°)には原動車が6回転します。

例題2 ピンの回る半径を決める

溝が4つの従動車と原動車を、軸の間の距離(中心距離)80 mm で並べます。ピンが溝にガツンと当たらず、滑らかに入るようにしたいです。

(1) 原動車の中心からピンまでの半径 R を何 mm にすればよいですか。(2) ピンが溝のいちばん奥へ入ったとき、ピンの中心と従動車の中心の距離は何 mm ですか。(3) 従動車がいちばん速く回るとき、原動車の何倍の角速度ですか。

ヒント 1 / 2

直角三角形の斜辺が中心距離 CC、従動車の中心での角が 180∘/n=45∘180^{\circ}/n = 45^{\circ} です。

ヒント 2 / 2

sin⁡45∘≒0.707\sin 45^{\circ} \fallingdotseq 0.707 です。(3) は R/(C−R)R/(C - R) で求めます。

答えと解き方を見る
(1) R=80sin⁡45∘=56.6 mm(1)\ \sgvR = 80 \sin 45^{\circ} = 56.6\ \mathrm{mm}
(2) C−R=23.4 mm(2)\ \sgvC - \sgvR = 23.4\ \mathrm{mm}
(3) 2.41 倍(3)\ 2.41\ \text{倍}
  1. ピンの回る半径(ピンの円が、溝の中心線に接する)

    R=Csin⁡180∘n=80×sin⁡180∘4=56.57 mm\htmlClass{q-geometry}{R} = \htmlClass{q-geometry}{C}\sin\dfrac{180^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 80 \times \sin\dfrac{180^{\circ}}{4} = 56.57\ \mathrm{mm}
  2. 動く間の原動車の角度(360° の残りが、止まっている角度)

    θm=180∘−360∘n=180∘−360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  3. 1回に進む角度(溝1つぶん)

    Δβ=360∘n=360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\Delta\beta} = \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  4. いちばん速いとき(中ほど)の、従動車と原動車の角速度の比

    (ω2/ω)max⁡=RC−R=56.5780−56.57=2.41\htmlClass{q-flow}{(\omega_2/\omega)_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-geometry}{C} - \htmlClass{q-geometry}{R}} = \dfrac{56.57}{80 - 56.57} = 2.41
  5. 1回に動いている時間

    tm=θm360∘×60N=90360×6030=0.5 s\htmlClass{q-flow}{t_m} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\theta_m}}{360^{\circ}} \times \dfrac{60}{\htmlClass{q-flow}{N}} = \dfrac{90}{360} \times \dfrac{60}{30} = 0.5\ \mathrm{s}

滑らかに入るのは、ピンの円が溝の中心線に接するとき。原動車の中心・従動車の中心・ピンが、直角三角形を作ります。

(3) は、ピンが中心線の上に来たとき。ピンの速さは同じでも、従動車の中心までの距離が 23.4 mm といちばん短いので、角速度がいちばん大きくなります。

例題3 毎秒24こまの映写機

溝が4つのゼネバ機構で、フィルムを1こまずつ送る映写機があります。原動車が1回転するたびに、フィルムが1こま進みます。毎秒24こまで映します。

(1) 原動車の回転数は何 min⁻¹ ですか。(2) 1こまの時間のうち、フィルムが動いている時間と、止まっている時間は、それぞれ何 ms(1000分の1秒)ですか。

ヒント 1 / 2

1秒に24回転するので、1分では 24×6024 \times 60 回転です。

ヒント 2 / 2

動いている割合は 90∘/360∘=1/490^{\circ}/360^{\circ} = 1/4 です。1こまの時間 1/241/24 s にかけます。

答えと解き方を見る
(1) N=24×60=1,440 min−1(1)\ \skiN = 24 \times 60 = 1{,}440\ \mathrm{min^{-1}}
(2) 動く 10.4 ms,止まる 31.3 ms(2)\ \text{動く}\ 10.4\ \mathrm{ms},\quad \text{止まる}\ 31.3\ \mathrm{ms}
  1. ピンの回る半径(ピンの円が、溝の中心線に接する)

    R=Csin⁡180∘n=100×sin⁡180∘4=70.71 mm\htmlClass{q-geometry}{R} = \htmlClass{q-geometry}{C}\sin\dfrac{180^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 100 \times \sin\dfrac{180^{\circ}}{4} = 70.71\ \mathrm{mm}
  2. 動く間の原動車の角度(360° の残りが、止まっている角度)

    θm=180∘−360∘n=180∘−360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\theta_m} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = 180^{\circ} - \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  3. 1回に進む角度(溝1つぶん)

    Δβ=360∘n=360∘4=90∘\htmlClass{q-displacement}{\Delta\beta} = \dfrac{360^{\circ}}{\htmlClass{q-geometry}{n}} = \dfrac{360^{\circ}}{4} = 90^{\circ}
  4. いちばん速いとき(中ほど)の、従動車と原動車の角速度の比

    (ω2/ω)max⁡=RC−R=70.71100−70.71=2.41\htmlClass{q-flow}{(\omega_2/\omega)_{\max}} = \dfrac{\htmlClass{q-geometry}{R}}{\htmlClass{q-geometry}{C} - \htmlClass{q-geometry}{R}} = \dfrac{70.71}{100 - 70.71} = 2.41
  5. 1回に動いている時間

    tm=θm360∘×60N=90360×601,440=0.0104 s\htmlClass{q-flow}{t_m} = \dfrac{\htmlClass{q-displacement}{\theta_m}}{360^{\circ}} \times \dfrac{60}{\htmlClass{q-flow}{N}} = \dfrac{90}{360} \times \dfrac{60}{1{,}440} = 0.0104\ \mathrm{s}

1こまの時間は 1 ÷ 24 = 0.0417 s(41.7 ms)。溝4つなら、動くのは 90° ÷ 360° = 4分の1 で、残りの4分の3は止まっています。

フィルムが止まっている時間が長いほど、1こまの絵を長く映せます。