Колесо

Колеса железнодорожных вагонов, установлены как монумент в Трир, Германия

Колесо - простой механизм, предназначенный для преобразования поступательного движения в крутящий и наоборот. Изобретение колеса примерно 6 тысяч лет назад был значительным шагом в техническом развитии человечества.

1. Строение

Колесо-это предмет круглой формы, жестко закрепленный на оси. Для уменьшения массы колесо часто изготавливают с внешним ободом и радиальными спицами.

2. Принцип действия

При преобразовании поступательного движения во вращающуюся тягу сила прикладывается перпендикулярно оси. Тяга обеспечивается внешней силой, например, лошадьми. В таком случае назначение колеса - уменьшение силы трения. Это уменьшение обеспечивается заменой трения скольжения трением качения. Трение качения гораздо меньше, чем трение скольжения.

При преобразовании вращательного движения в поступательное оси колеса прикладывается крутящий момент. В этом случае используется трения покоя, которое намного больше, чем трение качения. Колесо неэффективно, если оно проковзуе на поверхности (пробуксовывает).

Часто в механических экипажах используются оба типа преобразования: есть колеса с приводом, и колеса, которые уменьшают трение. Так, например, в длинном поезда локомотив использует трения покоя, что позволяет ему тащить за собой более 20 вагонов, на колеса которых действует трение качения.

3. Механика

Колесо существенно уменьшает затраты энергии на перемещение груза по относительно ровной поверхности. При использовании колеса работа совершается против силы трения качения, которая в искусственных условиях дорог существенно меньше, чем сила трения скольжения. Колеса бывают сплошные (например, колесная пара железнодорожного вагона) и состоят из достаточно большого количества деталей, например, в состав автомобильного колеса входит диск, обед, покрышка, иногда камера, болты крепления и т.д.. Износ покрышек автомобилей является почти решенной проблемой (при правильно установленных углах колес). Современные шины проезжают свыше 100 000 км. Нерешенной проблемой является износ покрышек у колес самолетов. При столкновении неподвижного колеса с бетонным покрытием взлетной полосы на скорости в несколько сотен километров в час износ покрышек огромно.

4. Исторический очерк

Долгое время распространенной была версия, что колесо впервые возникло в шумерской культуре Месопотамии в кон. 4 тыс. до н.э. и распространилось по Евразии и Северной Африке. Но археологические находки конца 20 ст. свидетельствуют о том, что механизм колеса, скорее всего, был изобретен на территории Центральной Европы, а уже оттуда попал на Ближний Восток.

Самые ранние изображения механизма колеса и повозок найдены на территории современной Польши, Румынии и в евразийских степях. По мнению финского ученого Аско Парполы, индолога с Хельсинкской университета, существуют лингвистические причины считать, что колесо возникло в Трипольской культуре на территории современной Украины ^[1]. Версию о европейском происхождении колеса выдвинул в 1990-х немецкий ученый А.Хойслер. О находках моделей колес в раскопках трипольских поселений последней четверти 5 тыс. до н.э. (За тысячелетия до соответствующих находок в Месопотамии) сообщал еще в 1981 г. в научных публикациях румынский археолог Дину. Отсюда инновация быстро распространилась по Европе: упоминания о колесе встречаются в поселениях Зюшен (Германия), Броночице (Польша), остатки телег найдены в кон. 1980-х на территории Краснодарского края России датировке сер. 4 тыс. до н.э. ^[2]

Следующие упоминания о колесе встречаются в Месопотамии в кон. Четвёртому тысячелетия до н. е. Предшественниками колеса можно считать известный до этого деревянный каток, который пидкладався под груз при передвижении. Первоначально колесо представляло собой деревянный диск, пал на ось и зафиксированный клином. Изображение санок с колесиками (3000 г. до н. н.э.) найдены в Междуречье в шумерском городе Урук. До 2700 года до н. е. там же появляются рисунки телег. В то же время шумеры начинают хоронить своих царей вместе с колесницами. Эти захоронения отысканы в Киши, Ури, в эламского городе Сузы. Во 2-м тысячелетии до н. е. конструкция его совершенствуется: в Малой Азии появляется колесо со спицами, ступицей и гнутым ободом. Позднее, в 1-м тысячелетии до н. е. кельты для повышения прочности колес своих колесниц стали применять металлический обод, который затем в транспортных машинах был заменен резиновыми шинами для амортизации.

Несмотря на то, что колесо не было известно среди цивилизаций доколумбовой Америки, некоторые народы, например инки, вплотную приблизились к его открытию. Также до прихода европейцев колес не знали коренные народы Австралии и южной Африки.

Изобретение колеса способствовал развитию ремесел. Колесо было применено в гончарном круге, мельнице, прядке, токарном станке, в ирригационных сооружениях, на мануфактурных фабриках, месторождениях и т. п. Применялись также водяные колеса.

Изобретение колеса дало толчок и к развитию науки в целом. Так, оно применяется в астролябии и других научных инструментах. В механике широко используется зубчатое колесо.

Важное значение колеса в хозяйственной сфере отразилось в его метафорическом обожествлении в виде Вечного возвращения", "колеса Сансары" реинкарнации и т. д. В различных культурах колесо является символом движения солнца, в буддизме оно символизирует закон и истину, симметричность и совершенство Дхармы, мирные перемены. Крылатое колесо ассоциируется со скоростью, колесо колесницы - с правлением и властью. В греко-римской мифологии колесо с шестью спицами - атрибут Зевса ( Юпитера) как небесного бога.

4.1. Древние и современные артефакты колеса

• 

  Диск колеса бронзового века на штандарте Ура (примерно 4500 лет назад)

• 

  Колесо сторогрецькои колеснице с четырьмя спицами как глиф линейного письма Б. Древние греки использовали колеса еще 3,5 тысячи лет назад. Колеса хеттских и египетских колесниц основном имели шесть спиц, тогда как ассирийцы железного века использовали восемь.

• 

  Найденные у Цюрих кулоны в виде колес из раскопок культуры полей погребальных урн бронзового века (примерно 3200 лет назад). Швейцарский национальный музей.

• 

  Эламский колесо со спицами начале железного века (примерно 3500 роки назад). Национальный музей Ирана.

• 

  Колесо этрусской колеснице (примерно 2530 назад)

• 

  Классическое колесо со спицами и ступицей и железным ободом. Люди использовали такие колеса с начала железного века в Европе, примерно 2500 лет назад, вплоть до 20 века.

• 

  Велосипед пенни-фартинг (1882)

• 

  Колесо современного мотоцикла из сплава с нездувною шиной и дисковым тормозом.

• 

  Безвоздушное шина "Tweel" фирмы Michelin (2005)

5. Использование сегодня

Сегодня чаще колесо используется в транспортных средствах - автомобилях, поездах, велосипедах, самокатах, конных повозках, а также как шасси, в ​​самолетах, вертолетах и т.д..

6. Интересные факты

• В июле 2001 года на колесо был получен инновационный патент со следующей формулировкой: "круглый устройство применяется для транспортировки грузов" ^[3]. Этот патент был выдан Джону Кео, юристу с Мельбурна, который хотел тем самым показать несовершенство австралийского патентного закона.
• Французская компания Мишлен в 2009 году разработала пригодное к массовому выпуску автомобильное колесо Active Wheel со встроенными электродвигателями, приводящими в действие колесо, рессору, амортизатор и тормоз. Таким образом, эти колеса делают ненужными такие системы автомобиля: двигатель, сцепления, коробку передач, дифференциал, приводной и карданный вал ^[4]. Идея мотор-колеса не нова - она ​​была реализована еще в конце XIX века Фердинандом Порше в Австро-Венгерской империи, однако практическое применение его столкнулось с весьма серьезными трудностями, в результате чего распространение мотор-колеса носит сейчас крайне ограниченный характер (карьерные самосвалы, "Луноход" и другие планетоходы).
• В 1959 году американец А. Сфредд получил патент на квадратное колесо. Оно легко шла по снегу, песку, грязи, преодолевало ямы. Вопреки опасениям, машина на таких колесах не "хромала" и развивала скорость до 60 км / час.