Шкивы, блоки и зубчатые передачи не что иное, как колеса, предназначенные для передачи движения. Это одни из древнейших механизмов, изобретенных человеком. Зубчатые передачи на деревянных шпильках приводили в движение мельничные жернова в средние века, работали на ветряных мельницах и в шахтах. Как полагают, блоки были известны уже в 9 в. до н. э. Еще Архимед показал преимущества сложного блока, полиспаста, перед простым.

Устройство и работа шкивов

Блок и шкив – это колесо с тросом, цепью или ремнем. Шестерня – это колесо, на ободе которого нарезаны зубья. Как шкивы, так и зубчатые передачи могут передавать вращательное движение между двумя или более валами. Если валы расположены близко друг к другу, как, например, в часах или в автомобильном двигателе, то обычно используются зубчатые передачи. Блоки чаще используются в тех случаях, когда валы далеки друг от друга. Шестерни могут изменять направление вращения даже под прямым углом. Если диаметры шкивов или зубчатых колес различны, то скорости вращения их изменяются. Шкивы с ременной передачей используются на фабриках и в сельскохозяйственных машинах. Бесконечный ремень передает движение шкива на валу мотора другому шкиву на валу ведомого механизма, например токарного станка. Ставя на мотор или ведущий вал шкив, отличающийся по диаметру от шкива на ведомом валу, можно менять скорость вращения ведомого вала. Несколько шкивов различных диаметров часто устанавливают одновременно на ведущий вал; так образуется ступенчатый шкив, позволяющий на ведомом валу иметь набор скоростей. Широкий и гладкий обод шкива предназначается под широкий плоский ремень, а желобчатый – под узкий V-образный или круглый ремень. Желобок предотвращает соскальзывание ремней с блока.
Тали и полиспасты – другие широко распространенные системы блоков – используются для перемещения с выигрышем в силе. Усилие человека, поднимающего груз, умножается серией из нескольких блоков, так что появляется возможность вручную поднять более тяжелые грузы. Тали широко используются в промышленности.

Как работают шестерни

Зубья большинства шестерен имеют слегка искривленные поверхности. Поверхности двух работающих в паре шестерен приходят в зацепление, складывающееся из качения и скольжения лицевых сторон зубьев друг по другу. Трение и заедание криволинейных поверхностей значительно меньше, чем плоских, но все же шестерни должны изготовляться так, чтобы их зубья входили относительно свободно между зубьями парной шестерни. Этот зазор носит название мертвого хода, или люфта.
Пары шестерен служат для изменения скорости, а часто и направления вращательного движения. Шестерня диаметром чуть больше вала называется зубчатым валиком. При передаче усилия с большой шестерни на зубчатый валик скорость вращения растет прямо пропорционально отношению чисел зубьев в шестернях. Это отношение называется передаточным числом. Если шестерня со 100 зубьями приводит в движение зубчатый валик с 20 зубьями, скорость вращения увеличивается в пять раз. Если тот же валик с 20 зубьями передает усилие на шестерню с 40 зубьями, скорость вращения уменьшается вдвое.
Передача усилия с меньшей ведущей шестерни на большую ведомую шестерню помимо уменьшения скорости вращения приводит также к выигрышу в силе. Такой выигрыш получался на старинных валках для белья: небольшого усилия, приложенного к ручке, оказывалось достаточно для преодоления валками существенного сопротивления выжимаемого белья.
Если валы, которые предстоит приводить в движение с помощью шестерен, не являются непосредственными соседями, для соединения ведущей и ведомой шестерен между ними можно поместить одну или более промежуточных шестерен. Число зубьев промежуточных шестерен обычно равно числу зубьев либо ведущей, либо ведомой шестерни, так что они не влияют на скорость вращения.

Изменение направления движения

Зубчатая рейка и зубчатый валик могут преобразовывать вращательное движение в поступательное. Зубчатый валик – обычная круглая шестерня, а зубчатая рейка, с которой он входит в зацепление, – «распрямленная» шестерня. Этот тип зубчатой передачи встречается в фокусирующем механизме микроскопа или старого фотоаппарата, где наводка на фокус производится вращением зубчатого валика, который через рейку перемещает объектив. В автомобилях кремальерное рулевое управление преобразует вращательное движение руля в поступательное движение тяги поворота колеса.
Зубья располагаются обычно параллельно оси шестерни либо спирально, как в геликоидальных и червячных передачах. Последняя используется для приведения в движение вала, расположенного под прямым углом к оси ведущей шестерни. Конические шестерни также передают движение под некоторым углом; они имеют параллельные или спиральные зубья. Зубчатая передача с центральной шестерней, работающей в зацеплении с несколькими планетарными шестернями – сателлитами, применяется во втулках велосипедных колес. Это уже коробка передач, насчитывающая несколько находящихся в зацеплении шестерен. Комбинируя пары шестерен в зацеплении, можно изменять передаточное число. Другой пример – коробка передач автомобиля. Первые модели имели такие же системы передач, как и велосипеды. Сейчас они намного сложнее и часто имеют автоматическую систему управления.