クランク (機械要素)

クランク機構：回転と往復運動の変換装置

クランクとは、回転軸から芯ずれした軸を結ぶ柄を持つ機械要素です。リンク機構の一種であり、往復運動と回転運動の変換に重要な役割を果たします。古くは「曲拐」「曲肱」「曲軸」などと呼ばれていました。

クランクの働き：運動変換の仕組み

クランクにコネクティングロッドと呼ばれる棒を接続することで、往復運動を回転運動に変換したり、その逆の変換も可能になります。

往復運動→回転運動： 代表的な例は、自動車などのレシプロエンジンです。ピストンの往復運動がクランクシャフト（クランク軸）によって回転運動に変換され、車両を動かす動力となります。これはスライダクランク機構と呼ばれます。

回転運動→往復運動： クランクシャフトをモーターやエンジンで回転させれば、レシプロポンプやレシプロ圧縮機として機能します。気体や液体を圧縮したり、汲み上げたりする際に用いられます。

クランクの様々な活用例

クランクは、様々な機械や装置で利用されています。

人力操作：

釣りのリール：糸を巻き取るためのハンドルとして。
その他のリール：ケーブル、ロープ、テープなどを巻き取る機械。
クランクハンドル：映画カメラ、自動車の窓レギュレーター、方向幕操作など、様々な機械の操作ハンドルとして。
自転車のペダル：人間の足の力を回転運動に変換する。ハンドサイクルなど手を使うものもある。
蒸気機関車の加減弁：蒸気の流量を調整する。

動力機械：

レシプロエンジン：ピストンの往復運動をクランクシャフトで回転運動に変換し、自動車、船舶、航空機などを動かす。
* レシプロ圧縮機：クランクシャフトの回転運動をピストンの往復運動に変換し、気体を圧縮する。

死点とフライホイール

往復運動を回転運動に変換する際、クランク機構は「死点」と呼ばれる状態になります。これは、往復運動部が最も奥または手前に位置する状態であり、回転力がゼロになります。

死点では回転が停止する危険性があるため、通常はフライホイール（はずみ車）が用いられます。フライホイールは慣性によって回転を維持し、滑らかな回転を確保します。手動式のクランクでは、手で回転を補助したり、位相差のある複数のクランクを組み合わせることで死点の問題を回避します。

クランクの歴史

手回し式のスライダクランク機構は、古代中国の漢王朝時代の墓から出土した陶器模型にその原型が見られます。しかし、クランク機構が広く普及したのは、アラビアの学者・発明家アル＝ジャザリによるものです。彼はクランクシャフトとコネクティングロッドを組み合わせたシステムを開発し、1206年には揚水機械に用いています。1930年代以前の蓄音機は、クランク式のゼンマイで駆動されていました。また、自動車の内燃機関も、スターターモーターが普及するまでは、人力でクランクハンドルを回して始動させるのが一般的でした。

まとめ

クランク機構は、シンプルながらも強力な運動変換装置であり、古くから現代まで、様々な機械に利用され続けています。その歴史と多様な応用事例は、機械工学における重要な要素技術を示しています。

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