1. วัสดุศาสตร์และเทคโนโลยีวัสดุ (Materials Science)
เข้าใจโครงสร้างระดับโมเลกุลเพื่อการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสม
การเลือกใช้วัสดุ (Material Selection) คือกระบวนการตัดสินใจที่ซับซ้อน นักออกแบบต้องคำนึงถึงสมบัติทางกายภาพ เชิงกล และทางเคมี การเข้าใจโครงสร้างระดับโมเลกุลและอะตอมของวัสดุจะช่วยให้เราเข้าใจว่าเหตุใดวัสดุหนึ่งจึงแข็งแกร่งในขณะที่อีกชนิดหนึ่งยืดหยุ่น
1.1 ไม้ (Wood): ชีววัสดุและวิศวกรรมจากธรรมชาติ
ไม้เป็น วัสดุคอมโพสิตตามธรรมชาติ (Natural Composite) ที่ประกอบด้วย เส้นใยเซลลูโลส (Cellulose) ที่มีความเหนียวและทนแรงดึงสูง ยึดเกาะกันด้วย ลิกนิน (Lignin) ที่ทำหน้าที่เหมือนกาวธรรมชาติให้ความแข็งแรงรับแรงอัด
1. ไม้เนื้อแข็ง (Hardwood)
- ต้นกำเนิด: ไม้ยืนต้นผลัดใบ (Angiosperm) โตช้า เช่น ไม้สัก (Teak), ไม้แดง
- โครงสร้าง: วงปีแน่น ความหนาแน่นสูง
- สมบัติ: ทนแรงดัด/อัดดีเยี่ยม
- การใช้งาน: คาน, ตง, เสา
2. ไม้เนื้ออ่อน (Softwood)
- ต้นกำเนิด: ไม้ตระกูลสน (Gymnosperm) หรือไม้โตเร็ว เช่น ยางพารา
- โครงสร้าง: เนื้อพรุน ความหนาแน่นต่ำ
- สมบัติ: เหนียวน้อย ไสตกแต่งง่าย
- การใช้งาน: เฟอร์นิเจอร์, ตกแต่งภายใน
1.2 โลหะวิทยา (Metallurgy)
โครงสร้างอะตอมของโลหะ
โลหะมีโครงสร้างอะตอมเรียงตัวเป็นระเบียบในรูปแบบ ผลึก (Crystal Lattice) ยึดเหนี่ยวกันด้วย พันธะโลหะ ที่มีลักษณะพิเศษคือ "ทะเลอิเล็กตรอน" ทำให้โลหะนำไฟฟ้าได้ดี
1. เหล็กกล้า (Carbon Steel)
ผสมระหว่างเหล็กกับคาร์บอน แข็งแกร่งมาก ใช้ทำโครงสร้างและเครื่องมือช่าง
2. อะลูมิเนียม (Aluminium)
น้ำหนักเบา (1/3 ของเหล็ก) ไม่เป็นสนิม (สร้างฟิล์มออกไซด์ป้องกันตัวเอง)
3. ทองแดง (Copper)
นำไฟฟ้าดีเยี่ยม สีแดงอมส้ม ทนการกัดกร่อน ใช้ทำสายไฟและท่อแอร์
1.3 โพลิเมอร์และพลาสติก (Polymers)
1. เทอร์โมพลาสติก (Thermoplastics)
Recyclable: โดนความร้อนแล้วหลอมเหลว ขึ้นรูปใหม่ได้ (เช่น ขวด PET, ถุงพลาสติก)
2. เทอร์โมเซตติง (Thermosetting)
Hard & Heat Resistant: แข็งตัวถาวร โดนความร้อนไม่หลอม (แต่ไหม้) ทนทานสูง
2. วิศวกรรมเครื่องมือ (Tools Engineering)
ส่วนต่อขยายทางกายภาพของมนุษย์: หลักการฟิสิกส์และการวัด
2.1 ศาสตร์แห่งการวัดละเอียด (Metrology)
เวอร์เนียร์คาลิปเปอร์ (Vernier Caliper)
ใช้หลักการ Vernier Acuity (สเกลหลักเทียบสเกลเลื่อน) เพื่อขยายความสามารถในการอ่านค่าละเอียดถึง 0.05 มม. หรือ 0.02 มม.
- วัดความโตนอก (Outside): ใช้ปากวัดล่างหนีบชิ้นงาน
- วัดความโตใน (Inside): ใช้ปากวัดบนถ่างออกในรูเจาะ
- วัดความลึก (Depth): ใช้ก้านวัดลึกที่ท้ายด้าม
*ข้อควรระวัง: แรงกดขณะวัดต้องพอดี (Feel) ไม่แน่นหรือหลวมเกินไป
ภาพจำลองส่วนประกอบและการอ่านค่า Vernier Caliper
(ที่มาภาพ: Wikimedia Commons)
ตลับเมตร (Tape Measure)
- กลไกแถบวัด (Blade): ทำจากเหล็กสปริงดัดโค้ง (Concave) เพื่อให้ตั้งตรงได้ระยะหนึ่งโดยไม่หักพับ (Stand-out)
- ขอเกี่ยว (Floating Hook): ปลายขอเกี่ยวถูกออกแบบให้ ขยับตัวได้ เท่ากับความหนาของตัวขอเกี่ยวเอง
2.2 ฟิสิกส์ของการตัดและเจาะ
เลื่อย (Saws)
เลื่อยตัดเหล็ก (Hacksaw) - ฟันละเอียดและแข็งกว่าเลื่อยไม้
ฟันเลื่อยทำหน้าที่เหมือน ลิ่ม (Wedge) จำนวนมาก
ฟันเลื่อยต้องถูกดัดสลับซ้ายขวา (Set) เพื่อให้ร่องตัด กว้างกว่า ความหนาใบเลื่อย ช่วยลดแรงเสียดทานและป้องกันใบเลื่อยติดขัด
สว่าน (Drills)
- ดอกสว่าน (Twist Drill): ปลายมีมุมจิกมาตรฐาน 118 องศา เพื่อนำศูนย์และเฉือนวัสดุ
- ร่องเกลียว (Flute): ลำเลียงเศษวัสดุ (Chips) ออกจากรูเจาะ
-
หลักการความเร็วตัด:
- วัสดุแข็ง (เหล็ก) $\rightarrow$ รอบช้า + แรงกดสูง
- วัสดุอ่อน (ไม้) $\rightarrow$ รอบเร็ว
3. กลศาสตร์วิศวกรรม (Engineering Mechanics)
กฎการอนุรักษ์งาน: $Work_{in} = Work_{out}$ (ในอุดมคติ)
3.1 คาน (Levers) และโมเมนต์
คานอาศัยหลักการสมดุลของโมเมนต์ ($Moment = Force \times Distance$) แบ่งเป็น 3 ประเภทตามตำแหน่งของ จุดหมุน (F), แรงพยายาม (E), และแรงต้าน (L):
.png)
แผนภาพแสดงคานทั้ง 3 อันดับ: อันดับ 1 (บน), อันดับ 2 (กลาง), อันดับ 3 (ล่าง)
(ที่มาภาพ: Pearson Scott Foresman / Wikimedia Commons)
อันดับ 1 (E-F-L)
จุดหมุนอยู่กลาง
เปลี่ยนทิศทางแรงได้ และผ่อนแรงได้ถ้าแขนพยายามยาวกว่าแขนต้าน
ตัวอย่าง: กรรไกร, คีม, ชะแลง
อันดับ 2 (E-L-F)
แรงต้านอยู่กลาง
ผ่อนแรงเสมอ (MA > 1) เพราะแขนพยายามยาวกว่าแขนต้านเสมอ
ตัวอย่าง: รถเข็นทราย, ที่เปิดขวด
อันดับ 3 (F-E-L)
แรงพยายามอยู่กลาง
ไม่ผ่อนแรง (MA < 1) แต่ช่วยเพิ่ม ระยะทางหรือความเร็ว ในการเคลื่อนที่
ตัวอย่าง: ไม้กวาด, แหนบ, ตะเกียบ
รอก (Pulleys)
- รอกเดี่ยวตายตัว: เหมือนคานอันดับ 1 ที่แขนเท่ากัน MA = 1 ไม่ผ่อนแรง แต่เปลี่ยนทิศทาง (ดึงลงเพื่อยกขึ้น)
- รอกเดี่ยวเคลื่อนที่: รอกเคลื่อนไปพร้อมวัตถุ เชือก 2 เส้นช่วยรับน้ำหนัก ผ่อนแรง 2 เท่า (MA = 2)
-
ระบบรอกพวง: การผสมผสานรอกเพื่อเพิ่ม MA
สูตรคำนวณแรงดึง: $E = \frac{W}{2^n}$ หรือ $\frac{W}{n}$
เฟือง (Gears)
เปรียบเสมือนล้อที่มีฟันขบกัน (Positive Drive) ไม่มีการลื่นไถล
- เฟืองตรง (Spur): ส่งกำลังแกนขนาน ประสิทธิภาพสูง
- เฟืองดอกจอก (Bevel): เปลี่ยนทิศทางเพลา 90 องศา
- เฟืองตัวหนอน (Worm): อัตราทดสูงมาก และมีคุณสมบัติ Self-locking
(เล็กขับใหญ่ = ลดความเร็ว, เพิ่มแรงบิด)
4. อิเล็กทรอนิกส์และระบบควบคุม (Electronics)
พื้นฐานสัญญาณ การตรวจจับ และการประมวลผล
4.1 ทฤษฎีวงจรไฟฟ้า (Circuit Theory)
วงจรอนุกรม (ซ้าย) vs วงจรขนาน (ขวา)
(ที่มาภาพ: Wikimedia Commons)
อุปมาอุปไมยระบบน้ำ
- แรงดัน (V): แรงดันน้ำ หรือความต่างศักย์ (Volt)
- กระแส (I): ปริมาณน้ำที่ไหล (Ampere)
- ความต้านทาน (R): ขนาดท่อที่จำกัดการไหล (Ohm)