はじめに
モータやハンドルを回す動きを、まっすぐ進む動きに変えたい。
そんなときに中学技術で出てくるのが、ラックとピニオン、そしてねじ送りです。
どちらも「回転を直線に変える」機構ですが、しくみも得意なことも、ずいぶんちがいます。
テストでは、図を見て機構の名前を答える問題や、動く距離を求める計算問題がよく出ます。
この記事では、動画で解説した内容をもとに、ラックとピニオン、ねじ送りのしくみを順番に整理します。
後半では、距離を求める例題を2問、いっしょに解いていきます。
式はかけ算とわり算だけなので、落ち着いて読めば大丈夫ですよ。
テスト前の復習にも、授業の予習にも使ってくださいね。
- ラックとピニオン：しくみと、自動車やボール盤での使われ方。
- ねじ送り：ねじ棒とナットで進むしくみと、ピッチの意味。
- 見分け方：図を見て、ラック・ねじ送り・カムを区別するコツ。
- 距離の計算：一回転で進む距離から求める、例題2問。
運動を変換する機構の全体像
モータは回るのが得意ですが、私たちが欲しい動きは、前へ進む、押す、上げ下げするといった直線の動きが多いものです。
そこで必要になるのが、回転を別の動きに変える機構です。
カムは回転を往復運動に変えますが、今回のラックとピニオン、ねじ送りは、回転を直線の動きに変える機構です。
動かせる距離が長いことが、この2つに共通する特ちょうです。
- ラックとピニオン：回転を速く長い直線の動きに変える。自動車のステアリングやボール盤の送りハンドルなどに使われる。
- ねじ送り：ねじ棒を回してナットを進める。ゆっくり動くが力が強く、万力やジャッキに使われる。
- 距離の求め方：進む距離はピッチと回転数で決まる。2つの機構で同じ考え方が使える。
ポイント1：ラックとピニオンのしくみ
ラックとピニオンは、回転する小さな歯車と、まっすぐな歯の棒を組み合わせた機構です。
まず形と名前を覚えると、動きも距離の計算もすっと頭に入ってきます。
ピニオンが回る側、ラックが直線に動く側と整理しておきましょう。
ラックとピニオンのしくみのポイントを紹介します
ピニオンとラックの形と名前
ピニオンは、ラックとかみ合う小さな丸い歯車のことです。
ラックは、歯が一直線にならんだ細長い棒の形をしています。
丸い歯車をぐーっと引きのばして、まっすぐにしたものがラックだとイメージすると覚えやすいですよ。
ふつうの歯車どうしは回転を回転のまま伝えますが、ラックとピニオンの組み合わせは、回転を直線の動きに変えられるのが大きなちがいです。
この「回転が直線になる」という点が、ラックとピニオンの一番のポイントです。
まずは、名前と形をしっかり結びつけておきましょう。
テストでは、ピニオンとラックのどちらがどんな形かを問われることがあります。
ピニオンは丸くて小さい、ラックは細長くてまっすぐ、と形と名前をセットにしておけば迷いません。
また、ピニオンは回す側、ラックは直線に動く側です。
図に矢印がかいてあれば、回転の矢印がついているほうがピニオンだと見分けられます。
ピニオンを回すとラックが動く理由
ピニオンを回すと、かみ合っているラックの歯が一枚ずつ押されて、ラックがまっすぐ進みます。
歯車どうしがかみ合って動く考え方と同じで、ピニオンの歯が一枚進むたびに、ラックも歯一枚ぶん進みます。
ピニオンを逆向きに回せば、ラックも逆向きに動きます。
前にも後ろにも動かせるのが、この機構の便利なところです。
ハンドルを回す向きを変えるだけで、動く向きを切りかえられます。
テストでは、回す向きと進む向きの関係を問われることもあります。
図で矢印を確かめる習慣をつけておくと安心ですよ。
では、一回転でどれだけ進むのでしょうか。
ピニオンが一回転すると、歯の数と同じ枚数ぶんだけラックが進みます。
そのため、進む距離は「歯の数×ピッチ」で求められます。
ピッチとは、歯と歯の間隔のことです。
歯が12枚でピッチが4mmなら、一回転で48mm進みます。
回転数をかければ、全体の距離が出ます。
ここで出てくる「歯の数×ピッチ」は、テスト前に必ず覚えたい式です。
かけ算だけなので、落ち着いて計算すれば大丈夫です。
単位のミリをつけ忘れないようにしましょう。
ステアリングとボール盤での使われ方
身近な例は、自動車のステアリングです。
ハンドルを回すと先端のピニオンが回り、かみ合ったラックが左右に動いて、タイヤの向きが変わります。
学校の技術室にあるボール盤も、同じしくみです。
横についた送りハンドルを回すと、ピニオンがラックを動かして、ドリルの刃がすっと下がっていきます。
長い距離を速く動かしたい場面に、ぴったりの機構なんですよ。
ハンドルを回した分だけ、ラックの動く量が決まる点も共通しています。
どちらも、回転を長い直線の動きに変える機構の代表例といえます。
ただし、ラックとピニオンには気をつけたい点もあります。
歯のかみ合わせが浅いと歯がすべり、深すぎると動きが重くなります。
ラックが横にぶれないよう、案内のレールで支えることも大切です。
組み立てるときは、手でピニオンを回して、かみ合わせを確かめましょう。
歯がずれたまま使うと、動きが止まったり、部品がこわれたりする原因になります。
また、ラックの端まで動かしすぎると外れてしまうので、動かす範囲も決めておきます。
安全のためにも、組み立てたあとの確認は大切です。
- 形：ピニオンは小さな丸い歯車、ラックは歯が一直線にならんだ棒。
- 動き：ピニオンを回すとラックが直線に動き、回す向きで進む向きが変わる。
- 距離：一回転で進む距離は「歯の数×ピッチ」で求める。
ポイント2：ねじ送りのしくみとピッチ
ねじ送りは、ねじ棒とナットを使って、回転を直線の動きに変える機構です。
ラックとピニオンよりもゆっくり動きますが、力が強く、細かい位置合わせが得意です。
ねじ棒を回して、ナットを進めると覚えておきましょう。
ねじ送りのしくみとピッチのポイントを紹介します
ねじ棒とナットで進むしくみ
ねじ送りでは、ねじ棒を回すと、はまっているナットが棒に沿ってまっすぐ進みます。
ねじ山がらせん状についているので、棒が回ると、ナットはらせんをたどって前へ進むのです。
ここで大切なのは、ナットがいっしょに回らないよう、横から押さえておくことです。
押さえがないとナットまで回ってしまい、少しも進みません。
ナットを台に取りつけて、その台を動かすのが、ねじ送りの基本の使い方です。
ハンドルを回し続ければ、台は同じ速さで少しずつ進んでいきます。
動きがなめらかなのも、ねじ送りの良いところです。
ねじ送りの図が出たら、どの部分が回って、どの部分が直線に動くのかを確かめましょう。
回るのはねじ棒で、直線に動くのはナットと、ナットにつけた台です。
ハンドルがついているほうが入力、台が動くほうが出力と整理すると、問題文の読み取りがぐっと楽になります。
ラックとピニオンと同じように、回転が入力で、直線の動きが出力です。
入力と出力の組み合わせを言葉にして言えるようにしておくと、記述式の問題でも書きやすくなります。
ピッチと進む距離の求め方
ねじ山と、となりのねじ山の間隔を、ピッチといいます。
ねじ棒を一回転させると、ナットはピッチの分だけ進みます。
つまり、進む距離は「ピッチ×回転数」で求められます。
ピッチが2mmのねじ棒なら、5回転で10mmです。
ピッチが小さいほど、一回転で進む距離が短くなるので、ゆっくり細かく動かせます。
逆にピッチが大きければ、同じ回転数でも長く進みます。
式の形はラックとピニオンの距離の式とよく似ているので、まとめて覚えると楽です。
どちらも「一回転で進む距離×回転数」と考えられます。
ここで気をつけたいのは、ピッチとねじの太さは別のものだということです。
太いねじでもピッチが小さいものがあり、細いねじでもピッチが大きいものがあります。
問題文に「ピッチ」と書いてあれば、山と山の間隔を使って計算します。
ラックとピニオンの歯のピッチと同じで、どちらも間隔の考え方です。
太さを表すのは直径で、進む距離の計算には使いません。
言葉のちがいに注意して、問題文を一文ずつ読んでいきましょう。
ピッチという言葉を見たら、間隔と置きかえて読むのがコツです。
万力やジャッキでの使われ方
ねじ送りは、万力のハンドルや、車を持ち上げるジャッキに使われています。
ハンドルをゆっくり回すだけで、大きな力を出せるのが特ちょうです。
ねじは、重いものがのっても勝手にもどりにくい性質があるため、持ち上げたものを支えておくのにも向いています。
ほかにも、工作機械の台を少しずつ動かす場面で活躍します。
万力でものを締めつけたまま止めておけるのも、同じ理由です。
ゆっくり回して大きな力を出す、という点がねじ送りの強みです。
身のまわりでハンドルを回して動かす道具を探してみましょう。
ラックとピニオンと比べると、ねじ送りは動きが遅い代わりに、力が強くて位置を正確に決められます。
速く長く動かしたいならラックとピニオン、力や正確さがほしいならねじ送り、と目的で使い分けています。
なお、万力のハンドルを回すときは、指をはさまないように注意してください。
ハンドルを勢いよく回すと、ものが飛び出すことがあります。
ゆっくり、少しずつ回すのが、安全に使うための基本です。
どちらの機構も、安全な使い方を守ってこそ、役に立ちます。
- しくみ：ねじ棒を回すと、押さえたナットが棒に沿って直線に進む。
- ピッチ：ねじ山の間隔。一回転でピッチの分だけ進み、距離は「ピッチ×回転数」。
- 使い道：ゆっくり動くが力が強く、万力やジャッキ、位置合わせに向く。
ポイント3：テストで点がとれる見分け方と距離の計算
テストでは、図から機構を見分ける問題と、動く距離を求める計算問題がよく出ます。
見分け方は形、計算は式を一つ覚えるだけです。
形で見分けて、式に数字を入れる、この2つの流れで解いていきましょう。
見分け方と距離の計算のポイントを紹介します
図から機構を見分けるコツ
図の問題では、まず形を見ましょう。
歯が一直線に並んでいたらラック、その歯とかみ合う小さな丸い歯車がピニオンです。
らせん状の溝がある棒と、それにはまる部品が見えたら、ねじ送りです。
回転を往復運動に変える、丸くて少しいびつな板の形なら、カムです。
形と動きをセットで覚えておくと、図が少し変わっても迷いません。
名前だけを暗記するより、形を思い浮かべるほうが、ずっと思い出しやすくなります。
教科書や問題集の図を見ながら、声に出して確かめてみましょう。
次に、入力と出力を確かめます。
どの機構も、ハンドルやモータで回すのが入力です。
出力は、ラックの直線の動き、ナットの直線の動き、カムにふれた棒の往復運動です。
問題文に「回転運動を直線運動に変える機構はどれか」とあれば、ラックとピニオンとねじ送りが答えの候補です。
カムは、往復運動に変える機構だと区別しておきましょう。
リンク機構も、回転を往復や揺れる動きに変えるものとして、名前だけは覚えておくと安心です。
例題1 ラックの動く距離を求める
例題1です。ピニオンの歯の数が20枚、歯のピッチが3mmのとき、ピニオンが一回転するとラックは何mm進むでしょうか。
式は「歯の数×ピッチ」ですから、20×3で60mmです。
つづけて、ラックを150mm動かすには何回転が必要でしょうか。
150÷60で2.5回転、つまり二回転半が答えになります。
ここで、計算の途中に出てくる単位に注目してみましょう。
どちらの計算でも、単位はミリのままで統一されています。
計算のコツは、最初に一回転で進む距離を出してしまうことです。
そうすれば、全体の距離を一回転の距離でわるだけで、回転数が求まります。
逆に、回転数が分かっているときは、一回転の距離に回転数をかければ、全体の距離です。
かけ算とわり算を、問題の向きに合わせて使い分けましょう。
2.5回転のような小数が出ても、あわてなくて大丈夫です。
半回転は歯の数の半分だけ進むことなので、答えが出たら意味も確かめましょう。
答えの単位をつけて書くことも、忘れないでくださいね。
例題2 ねじ送りの距離とまちがえやすい点
例題2です。ピッチが2mmのねじ棒を15回転させると、ナットは何mm進むでしょうか。
式は「ピッチ×回転数」なので、2×15で30mmです。
つづけて、ナットを40mm動かすには何回転が必要でしょうか。
40÷2で20回転になります。
ラックのときと同じ流れで、一回転の距離を先に確かめてから計算すると、まちがえにくくなります。
ねじ送りの式は、ラックの式とほとんど同じ形をしています。
ちがうのは、一回転の距離の求め方だけです。
まちがえやすい点は三つあります。
一つ目は、ピッチをねじの太さや歯車の直径と取りちがえることです。
二つ目は、回転数と距離をまぜてしまうことです。
三つ目は、mmとcmのように単位がちがうのに、そろえずに計算してしまうことです。
式を立てる前に単位を見る習慣をつけると、ミスがぐっと減ります。
答えを出したあとに、数が大きすぎたり小さすぎたりしないかを見直すのも有効です。
たとえば、一回転で60mmなのに答えが1mmなら、どこかで計算をまちがえています。
- ラックとピニオン：一回転の距離は「歯の数×ピッチ」。全体は回転数をかける。
- ねじ送り：一回転の距離はピッチ。全体の距離は「ピッチ×回転数」。
- 単位：式を立てる前にmmとcmをそろえ、答えには単位をつける。
テスト前の確認リスト
ここまでの内容を、テスト前に確かめられる形にまとめました。
声に出して読み、答えられないものがあれば、その項目の解説にもどってみてください。
覚えることは多く見えますが、ラックとピニオンの式、ねじ送りの式、見分け方の三つにしぼれます。
一つずつチェックしていきましょう。
全部にチェックがつけば、機構の問題も距離の計算問題も、落ち着いて解けるはずです。
まちがえた項目は、もう一度この記事の該当する見出しを読み返してみましょう。
- ピニオンは小さな丸い歯車で回す側、ラックは歯が直線に並んだ棒で直線に動く側である。
- ラックとピニオンで一回転に進む距離は「歯の数×ピッチ」で求める。
- ねじ送りは、ねじ棒を回してナットを進める。ナットは回らないよう押さえておく。
- ねじ送りで進む距離は「ピッチ×回転数」。ピッチは山と山の間隔である。
- 図で歯が直線ならラック、らせんの溝ならねじ送り、往復運動に変えるのはカムと見分ける。
よくある質問
ラックとピニオンでは、どちらが回る側ですか
ピニオンが回る側で、ラックが直線に動く側です。
ハンドルやモータの回転はピニオンに伝わり、かみ合ったラックが押されて動きます。
自動車のステアリングでも、ハンドルにつながっているのがピニオンで、タイヤの向きを変えるのがラックです。
テストでは「回転運動する部品はどれか」と聞かれることがあるので、ピニオンは回る、ラックは進む、とセットで覚えましょう。
なお、ラックを押してピニオンを回すこともできますが、中学の問題ではほとんど出ません。
ピッチとねじの太さは同じものですか
いいえ、別のものです。
ピッチは、ねじ山と、となりのねじ山の間隔のことで、一回転でナットが進む距離を決める数字です。
太さを表すのは直径で、これは進む距離の計算には使いません。
問題文に「ピッチ2mm」と書いてあれば、一回転で2mm進むと読み取ります。
ラックとピニオンの歯のピッチも同じで、歯と歯の間隔のことなので、直径とまぜないように気をつけてください。
ここをまちがえる人が多いので、確認しておいて損はありません。
テストの前に、一度ノートに書いて整理しておくと安心です。
カムやリンクとのちがいは何ですか
変える先の動きがちがいます。
ラックとピニオン、ねじ送りは、回転をまっすぐな直線の動きに変えて、長い距離を動かせます。
カムは、回転を往復運動に変える機構で、板の形によって動き方が決まります。
リンクは、棒をつないで、回転を往復や揺れる動きに変える機構です。
名前だけでなく、何を何に変えるかをセットで覚えておくと、選択問題で迷いにくくなります。
図にかかれた形から、動きを説明できるようにしておきましょう。
「何から何へ」を一言で言えれば、ほとんどの問題に対応できます。
おわりに
ラックとピニオン、ねじ送りは、どちらも回転を直線の動きに変える機構です。
ラックとピニオンは、速く長い距離を動かすのが得意で、距離は「歯の数×ピッチ×回転数」で求めます。
ねじ送りは、ゆっくり動くかわりに力が強く、距離は「ピッチ×回転数」で求めます。
図の問題では、歯が直線ならラック、らせんの溝ならねじ送りと見分けましょう。
計算の問題では、一回転で進む距離を先に出し、単位をそろえるのがコツです。
この記事の例題をもう一度自分の手で解いてみると、テスト本番でも落ち着いて解けますよ。
ご視聴ありがとうございました。
この記事の内容を動画でも解説しています。
ぜひご覧ください。
チャンネル登録もしていただけると、うれしいです。
ラックとピニオン・ねじ送りを製作に生かすには
仕組みと計算がわかったら、最後に製作で使う場面を考えてみましょう。どちらの機構を選ぶかは、速さと力のどちらを大切にするかで決まります。
- ポイント1：速さ重視：速く動かしたいならラックとピニオンが向く。
- ポイント2：力重視：強い力や細かい位置決めはねじ送りが向く。
- ポイント3：距離を計算：動く距離は式で求めて長さを決める。
製作での使い分けを紹介します
速く動かしたいときの選び方
ハンドルを一回しただけで大きく動かしたいなら、ラックとピニオンが向いています。ピニオンが一回転すると、ラックはピニオンの円周ぶん進むので、動きが大きいのです。車のステアリングがこの機構を使っているのも、少ない回転で素早く向きを変えるためです。製作では、動く距離を先に決めてから歯車の大きさを選びましょう。
細かく動かしたいときの選び方
ミリ単位で位置を合わせたいときは、ねじ送りが向いています。ねじ棒が一回転しても、ナットはピッチの分だけしか進まないので、細かい調整ができるのです。しかも、ナットを逆に押しても動きにくく、位置が保たれます。ボール盤や万力のように、力をかけて固定する道具に使われているのは、この特徴のおかげです。
計算でまちがえやすい点
距離の計算では、回転数にピッチを掛けるのか、円周を掛けるのかを取りちがえやすいものです。ねじ送りはピッチ、ラックとピニオンは円周が基準になります。単位がミリなのかセンチなのかも、最後に必ず確かめましょう。式を書いてから数字を入れる習慣をつけると、ミスがぐっと減ります。
