Колесо

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Колесо гоночного автомобиля

Колесо́ — движитель, круглый (как правило), свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется для транспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах.

Этимология[править | править вики-текст]

Слово колесо восходит к древнерусскому коло «колесо»[1]. От слова «колесо» произошло слово «колесница».

История[править | править вики-текст]

Колесо древней повозки

В живой природе принцип колеса используется лишь некоторыми жгутиковыми эукариотами, для которых характерно такое формирование актиновых или флагеллиновых нитей, которое приводит к колебанию основного жгутика.

Самые ранние колеса (глиняные модели колес) встречаются на территории современной Румынии и Украины (неолитическая культура Кукутени — Триполье). Эти находки датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э. Затем — в IV тысячелетии — они появляются и на территориях современной Германии, Польши и в южнорусских степях Северного Причерноморья. К более ранним, чем «месопотамские», относятся модели колёс, обнаруженные археологами А. Д. Резепкиным на Северном Кавказе и А. В. Кондрашовым на Кубани. Всё больше материальных доказательств свидетельствуют в пользу того, что «самое первое» колесо появилось на Западе (а не на Востоке)[2][3][4].

Следующие упоминания о колесе встречаются в Древней Месопотамии в конце 4-го тысячелетия до н. э. Предшественником колеса можно считать известный до этого деревянный каток, который подкладывался под перемещаемый груз. Первоначально колесо представляло собой деревянный диск, насаженный на ось и зафиксированный клином. Изображения салазок с колёсиками (3000 г. до н. э.) найдены в Месопотамии в шумерском городе Урук. К 2700 году до н. э. там же появляются рисунки повозок. В это же время шумеры начинают хоронить своих царей вместе с колесницами. Эти погребения найдены в Кише, Уре, в эламском городе Сузы.

Во II тысячелетии до н. э., конструкция колеса совершенствуется: на Южном Урале появляется колесо со спицами, в Малой Азии — со ступицей и гнутым ободом[5]. Позднее, в 1-м тысячелетии до н. э., кельты для увеличения прочности колёс своих колесниц стали применять металлический обод, который затем в транспортных машинах был заменен резиновыми шинами для амортизации.[6]

Несмотря на то, что колесо считается неизвестным среди цивилизаций доколумбовой Америки, некоторые народы, например Инки, вплотную приблизились к его открытию. Использование для строительства характерных устройств катка — цилиндрического массивного тела для утрамбовки грунта, говорит об отказе от применения колеса в транспорте, а не об отсутствии открытия принципа колеса. Некоторые культуры (например, ольмеки) изготовляли керамические и деревянные фигурки животных на колесиках — возможно, они выполняли ритуальные функции, а возможно, были просто игрушками. Исходя из этого, можно предположить, что и первое колесо появилось в качестве игрушки.

Также до прихода европейцев колеса не знали коренные народы Австралии и южной Африки.

Цилиндрическая зубчатая передача. Слева и справа колёса.

Изобретение колеса способствовало развитию ремёсел. Колесо было применено в гончарном круге, мельнице, прялке, токарном станке. В ирригационных сооружениях, на мануфактурных фабриках, рудниках и т. п. применялись водяные колёса.

Изобретение колеса дало толчок 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», реинкарнации и т. д. В различных культурах колесо является символом движения солнца, в буддизме оно символизирует закон и истину, симметрию и совершенство Дхармы, мирные перемены. Крылатое колесо ассоциируется со скоростью, колесо колесницы — с правлением и властью. В древнегреческой и древнеримской мифологии колесо с шестью спицами — атрибут Зевса (Юпитера) как небесного бога[7].

Механика[править | править вики-текст]

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.

Основные кинематические и динамические отношения между разными частями колеса выводятся из рассмотрения его как твёрдого тела, и определяются исходя из геометрических свойств, начальных условий, условий эксплуатации и прочего. Колесо считается простейшим механизмом, когда оно насажено на зафиксированную или вращающуюся ось, которая проходит через его центр. Часто колесо устанавливается с целью обеспечить перемещение, в этом случае оно является частью транспортного средства, обеспечивая движение с большой эффективностью. Если ось соединена с двумя колёсами, то вращение колёс происходит так, как если бы они были одним телом.

Колёсная ось является одним из шести простейших механизмов. Она позволяет получить механическое преимущество (англ. Mechanical advantage), путём увеличения приложенной силы за счёт крутящего момента. Суть в том, что сцепление механизма с землёй происходит только по подошве колёс, они выполняют роль поддерживающей системы для транспортного средства, что уменьшает потери энергии, несмотря на такие недостатки, как эластичность колёс и потери момента в подшипниках. При использовании колёс для различных транспортных средств также необходимо обеспечивать необходимое сцепление их с землёй, что может быть достигнуто применением рифлёных колёс.

Геометрия колеса[править | править вики-текст]

Геометрия колеса основана на геометрии окружности. Параметры окружности следующие:

  • Диаметр. Колёса обычно определяются своим диаметром, так как это определяет их максимальный габарит и, следовательно, является весьма серьёзным ограничивающим фактором в связи с вопросом занимаемого объёма в том или ином механизме.
  • Периметр. Это расстояние, которое проходит колесо по плоскости за один оборот. Таким образом, расстояние, пройденное за заданное число оборотов, определяется периметром, который в свою очередь зависит от диаметра согласно следующему выражению:
{p}=\pi \cdot {D}

Более общее выражение:

\Delta s=\theta \cdot r

Где:

  • \Delta s — пройденное расстояние
  • \theta — угол оборота
  • r — радиус колеса (D=2r)

Круговое движение[править | править вики-текст]

Взаимосвязи векторов равномерного кругового движения

Задача прямолинейного равномерного движения эквивалентна задаче вращения. Переменные расстояния, скорости и ускорения эквивалентны угловым переменным: углу, угловой скорости и угловому ускорению соответственно. Все три, как видно из предыдущего раздела, связаны линейными зависимостями:[8]

  • Угол поворота: \theta=\frac{\Delta s}{r}
  • Угловая скорость: \omega=\frac{v}{r}
  • Угловое ускорение: \alpha=\frac{a}{r}

Где, обобщая все три, мы видим:

  • С левой стороны угловые эквиваленты (угол, угловая скорость, угловое ускорение)
  • С правой стороны линейные эквиваленты (расстояние, линейная скорость, линейное ускорение) поделённые на радиус r

Три показанных соотношения выводятся из геометрии колеса, где длина дуги окружности зависит от заданного угла поворота \theta, выраженного в радианах, умноженного на радиус окружности, при этом при повороте колеса на один оборот оно проходит расстояние равное периметру, что соответствует углу поворота в радианах 2π. Ускорение, вызванное изменением направления скорости, можно найти, если заметить, что скорость совершает полное изменение направления за то же самое время T, за которое объект делает один оборот. Тогда вектор скорости проходит путь длиной 2π v каждые T секунд:

  •  a_c\, = \frac {2 \pi v }{T} = \omega^2 \ r \ =\omega \cdot v,

Где:

  • ac — ускорение (всегда направлено к центру колеса)
  • \omega — угловая скорость колеса
  • r — радиус окружности, где располагается рассматриваемая точка.
Графическое изображение скорости в системе осей колеса, включая точку соприкосновения с землёй и центр колеса. Обратите внимание, что скорость равна нулю в точке контакта и возрастает линейно с увеличением радиуса: v = ωxr.

Характеристика колеса зависит от качества его сцепления с поверхностью качения. Любой автомобиль имеет сцепление колёс с дорогой в точке их соприкосновения, так что относительное перемещение колеса в этой точке приблизительно равно нулю. Кинематика колеса может быть пояснена следующим выражением, когда имея дело с задачей механики сплошных сред, мы можем определить скорость любой точки VP, зная скорость любой другой точки:

{\vec V_P}={\vec V_O} + \vec \omega \times \vec r

Где:

  • {\vec V_O} — скорость точки, чья скорость известна.
  • \vec \omega — вектор угловой скорости колеса относительно земли.
  • \vec r_{OP} — относительное положение вектора между двумя точками.

Сцепление колеса с поверхностью должно быть эффективным, так как очевидно, что если скорость в точке соприкосновения колеса с землёй будет отлична от нуля, то колесо будет скользить. Из вышеприведенного выражения следует, что существует линейная зависимость между величиной скорости в любой точке на земле и расстоянием между точкой соприкосновения и плоскостью вращения. Благодаря знаниям кинематики движения скорость может быть разложена на две составляющие:

  • Линейная скорость точек на окружности
  • Линейная скорость центра колеса

Это разделяет скорости на два вида: с одной стороны, скорость, которую бы ощутил наблюдатель, если бы он располагался на самом колесе, с другой стороны, скорость, если располагаться внутри движущегося средства. Ясно, что скорость вращения точек, расположенных на концах радиусов, равна линейной скорости. Это может быть интуитивно понятно, так как для того, чтобы совершить полный оборот, колесу надо проехать расстояние, равное длине его окружности[8].

Колёса бывают сплошные (например, колёсная пара железнодорожного вагона) и состоящие из довольно большого количества деталей, к примеру, в состав автомобильного колеса входит диск, обод, покрышка, иногда камера, болты крепления и тд. Износ покрышек автомобилей является почти решённой проблемой (при правильно установленных углах колёс). Современные покрышки проезжают свыше 100 000 км. Нерешённой проблемой является износ покрышек у колёс самолётов. При соприкосновении неподвижного колеса с бетонным покрытием взлётной полосы на скорости в несколько сотен километров в час износ покрышек огромен.

В автомобиле[править | править вики-текст]

AluminumWheel spoke design.jpg
Колесо современного автомобиля

В общепринятой в отечественном автомобилестроении терминологии[источник не указан 628 дней], колесом называется только металлическая часть без шины (см. рис.), — состоящая, в свою очередь, из:

  • обода, на который сажается шина;
  • ступицы;
  • диска или спиц, служащих для соединения обода со ступицей.

Несмотря на это, в быту автолюбители очень часто называют колесо в этом значении «колёсным диском» («литые диски», «легкосплавные диски», и так далее).

Колёса первых автомобилей по сути не отличались от колёс конных экипажей и были сделаны из дерева. Впоследствии появились колёса с металлическим ободом и деревянными спицами, а также с металлическими проволочными спицами, как у мотоциклетных. Шины изначально имели вид сплошных резиновых лент, впоследствии, по мере роста скоростей, их сменили пневматические шины, высота профиля которых вплоть до 1960-х годов постоянно увеличивалась, повышая комфортабельность езды и грузоподъёмность автомобиля. На грузовиках резиновые ленты можно было встретить ещё в 1920-х годах, а на военных автомобилях и сегодня могут применяться сплошные шины — гусматики, впервые разработанные для бронеавтомобилей времён Первой мировой войны. Начиная с 1920-х годов спицованные колёса стали постепенно заменять на колёса со штампованными металлическими дисками, более простыми и дешёвыми в производстве. Уже в середине следующего десятилетия они стали стандартом де-факто, но кое-где, например в США, «спицовка» продолжала сохранять определённую популярность у покупателей дорогих автомобилей вплоть до 50-х — 60-х годов в качестве дополнительного оборудования или даже заводской опции. Сегодня она ассоциируется в первую очередь с классическими автомобилями и субкультурой лоурайдеров.

В 1960-х годах появились в качестве спортивной опции колёса, целиком или частично отлитые из лёгкого сплава, алюминиевого или магниевого. Сегодня ими снабжается едва ли не большинство автомобилей.

В XXI веке появились безпневматические колёса, в которых вместо надувных шин и спиц используется упругая решётчатая конструкция из деформируемого полимера со сплошной шиной.[9]

В механизмах[править | править вики-текст]

Без шестерёнок (шестерней) невозможна работа многих механизмов. К ним относятся часы (в том числе наручные, настенные и башенные), будильники, водяная и ветряная мельницы, велосипеды, замки, шлюзы, фуникулёры и многие другие.

Оригинальные виды колёс[править | править вики-текст]

Интересные факты[править | править вики-текст]

В символике[править | править вики-текст]

В вексиллологии и геральдике[править | править вики-текст]

Колесо является важной фигурой на флаге и эмблеме современной Индии. В этом случае оно символизирует закон (дхарма). Колесо помещено на флаг цыган, символизируя кочевую жизнь цыган и их индийские корни. Также оно присутствует на эмблеме Монголии, относясь к буддизму. На гербе и флаге Анголы, гербе Вьетнама, а также эмблемах Буркина-Фасо в 1984—1997 годах и Италии присутствует шестерни или их сегменты.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фасмер, М. Колесо // Этимологический словарь русского языка = Russisches etymologisches Wörterbuch : в 4 т. / пер. с нем. и доп. чл.-кор. АН СССР О. Н. Трубачёва, под ред. и с предисл. проф. Б. А. Ларина [т. I]. — Изд. второе, стер. — М. : Прогресс, 1986—1987.
  2. Резепкин А. Д. Проблема происхождения колесного транспорта и его появления на Северном Кавказе // Четвёртая Кубанская археологическая конференция. Тезисы и доклады. Краснодар. 2005.
  3. Кондрашов A.B., Резепкин А. Д. Новосвободненское погребение с повозкой // КСИА. 1988. Вып. 193.
  4. Колесо изобрели не на Востоке
  5. кто придумал или изобрел колесо? / Великие изобретения
  6. История России. Всемирная, мировая история — История колеса
  7. Словарь символов
  8. 1 2 Center of gravity and Rotational variables (англ.) (2000). Проверено 8 июля 2009.
  9. Cool new army tire technology — Non-Pneumatic Tire
  10. Бесконечные виды привода
  11. Lawyer moves to patent wheel // BBC News | ASIA-PACIFIC
  12. Томас Имхоф. «Французские инженеры заново изобрели колесо». 2000-Аспекты-Движение, 23 января 2009 (недоступная ссылка с 22-05-2013 (457 дней) — историякопия)
  13. Колесование // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: В 86 томах (82 т. и 4 доп.). — СПб., 1890—1907.
  14. Hall Adelaide S. A Glossary of Important Symbols in Their Hebrew: Pagan and Christian Forms. — 2005. — P. 56. — ISBN 9781596055933
  15. Моносов Б. М. 10-й аркан. Колесо Фортуны // Фаербол-3: Знакомство с астральным миром. — СПб: Невский проспект, 2003. — С. 91-99. — 128 с. — ISBN 5-94371-242-9.

Ссылки[править | править вики-текст]