stringtranslate.com

Колесо и ось

Лебедка — это хорошо известное применение колеса и оси.

Колесо и ось — это простая машина, состоящая из колеса, прикрепленного к меньшей оси, так что эти две части вращаются вместе, в котором сила передается от одной к другой. Колесо и ось можно рассматривать как версию рычага , с движущей силой, приложенной по касательной к периметру колеса, и силой нагрузки, приложенной к оси, поддерживаемой подшипником , который служит точкой опоры.

История

Считается, что культура Халафа , существовавшая в 6500–5100 гг. до н. э., является родоначальницей самых ранних изображений колесного транспорта, однако это сомнительно, поскольку нет никаких свидетельств того, что халафийцы использовали колесные транспортные средства или даже гончарные круги. [1]

Одним из первых применений круга был гончарный круг , использовавшийся доисторическими культурами для изготовления глиняных горшков. Самый ранний тип, известный как «турнеты» или «медленные колеса», был известен на Ближнем Востоке к 5-му тысячелетию до н. э. Один из самых ранних образцов был обнаружен в Тепе Пардис, Иран , и датирован 5200–4700 гг. до н. э. Они были сделаны из камня или глины и прикреплены к земле колышком в центре, но требовали значительных усилий для вращения. Настоящие гончарные круги, которые свободно вращаются и имеют механизм колеса и оси, были разработаны в Месопотамии ( Ирак ) к 4200–4000 гг. до н. э. [2] Самый старый сохранившийся образец, который был найден в Уре (современный Ирак ), датируется примерно 3100 г. до н. э. [3]

Доказательства существования колесных транспортных средств появились к концу 4-го тысячелетия до н. э . Изображения колесных повозок , найденные на пиктограммах на глиняных табличках в районе Эанна в Уруке , в шумерской цивилизации Месопотамии, датируются периодом между 3700–3500 гг. до н. э. [4] Во второй половине 4-го тысячелетия до н. э. свидетельства существования колесных транспортных средств появились почти одновременно на Северном Кавказе ( Майкопская культура ) и в Восточной Европе ( Кукутень-Трипольская культура ). Изображения колесного транспортного средства появились между 3500 и 3350 гг. до н. э. в глиняном горшке Броночице, раскопанном в поселении культуры воронковидных кубков на юге Польши . [5] В соседней Ольшанице для въезда повозки была построена дверь шириной 2,2 м; этот амбар был 40 м в длину и имел 3 двери. [6] Сохранившиеся свидетельства комбинации колеса и оси из Старе Гмайне около Любляны в Словении ( деревянное колесо Люблянских болот ) датируются в пределах двух стандартных отклонений 3340–3030 гг. до н. э., ось — 3360–3045 гг. до н. э. [7] Известны два типа раннего неолитического европейского колеса и оси: циркумальпийский тип конструкции повозки (колесо и ось вращаются вместе, как в колесе Люблянских болот) и тип баденской культуры в Венгрии (ось не вращается). Оба они датируются примерно 3200–3000 гг. до н. э. [8] Историки полагают, что распространение колесного транспортного средства с Ближнего Востока в Европу произошло примерно в середине 4-го тысячелетия до н. э. [9]

Ранний образец деревянного колеса и его оси был найден в 2002 году в Люблянских болотах, примерно в 20 км к югу от Любляны , столицы Словении. Согласно радиоуглеродному датированию , его возраст составляет от 5100 до 5350 лет. Колесо было сделано из ясеня и дуба и имело радиус 70 см, а ось была длиной 120 см и сделана из дуба. [10]

В Китае самые ранние свидетельства существования колес со спицами были обнаружены в Цинхае в виде двух ступиц колес с места раскопок, датируемых периодом между 2000 и 1500 годами до н. э. [11]

В Римском Египте Герон Александрийский определил колесо и ось как одну из простейших машин, используемых для подъема тяжестей. [12] Считается, что это было в форме лебедки , которая состояла из рукоятки или шкива, соединенного с цилиндрическим стволом, который обеспечивал механическое преимущество для наматывания веревки и подъема груза, например, ведра из колодца. [13]

Ученые эпохи Возрождения, опираясь на греческие тексты по технологиям, определили колесо и ось как одну из шести простых машин. [14]

Механическое преимущество

Простая машина, называемая колесом и осью, относится к сборке, образованной двумя дисками или цилиндрами разного диаметра, установленными так, чтобы они вращались вместе вокруг одной оси. Тонкий стержень, который необходимо повернуть, называется осью, а более широкий объект, закрепленный на оси, к которому мы прикладываем силу, называется колесом. Тангенциальная сила, приложенная к периферии большого диска, может оказывать большее усилие на груз, прикрепленный к оси, достигая механического преимущества . При использовании в качестве колеса колесного транспортного средства меньший цилиндр является осью колеса, но при использовании в брашпиле , лебедке и других подобных устройствах (см. средневековый шахтерский подъемник справа) меньший цилиндр может быть отделен от оси, установленной в подшипниках. Его нельзя использовать отдельно. [15] [16]

Предполагая, что колесо и ось не рассеивают и не хранят энергию, то есть не имеют трения или эластичности , мощность, потребляемая силой, приложенной к колесу, должна быть равна выходной мощности на оси. Поскольку система колеса и оси вращается вокруг своих подшипников, точки на окружности или краю колеса движутся быстрее, чем точки на окружности или краю оси. Следовательно, сила, приложенная к краю колеса, должна быть меньше силы, приложенной к краю оси, потому что мощность является произведением силы и скорости. [17]

Пусть a и b — расстояния от центра подшипника до краев колеса A и оси B. Если входная сила F A приложена к краю колеса A , а сила F B на краю оси B является выходной, то отношение скоростей точек A и B определяется как a/b , поэтому отношение выходной силы к входной силе, или механическое преимущество , определяется как

Механическое преимущество простой машины, такой как колесо и ось, вычисляется как отношение сопротивления к усилию. Чем больше отношение, тем больше создаваемое умножение силы (крутящего момента) или достигаемое расстояние. Изменяя радиусы оси и/или колеса, можно получить любое количество механического преимущества. [18] Таким образом, размер колеса может быть увеличен до неудобной степени. В этом случае используется система или комбинация колес (часто зубчатых, то есть шестерен ). Поскольку колесо и ось являются типом рычага, система колес и осей подобна составному рычагу. [19]

На колесном транспортном средстве с приводом трансмиссия оказывает усилие на ось, радиус которой меньше радиуса колеса. Механическое преимущество, таким образом, намного меньше 1. Колесо и ось автомобиля, таким образом, не являются репрезентативными для простой машины (целью которой является увеличение силы). Трение между колесом и дорогой на самом деле довольно мало, поэтому даже небольшое усилие, оказываемое на ось, является достаточным. Фактическое преимущество заключается в большой скорости вращения, с которой вращается ось благодаря трансмиссии.

Идеальное механическое преимущество

Механическое преимущество колеса и оси без трения называется идеальным механическим преимуществом (ИМП). Оно рассчитывается по следующей формуле:

Фактическое механическое преимущество

Все фактические колеса имеют трение, которое рассеивает часть мощности в виде тепла. Фактическое механическое преимущество (AMA) колеса и оси рассчитывается по следующей формуле:

где

это эффективность колеса, отношение выходной мощности к входной мощности

Ссылки

  1. ^ В. Гордон Чайлд (1928). Новый свет на Древнейший Восток. стр. 110.
  2. ^ DT Potts (2012). Спутник по археологии Древнего Ближнего Востока . стр. 285.
  3. ^ Мури, Питер Роджер Стюарт (1999) [1994]. Древние месопотамские материалы и отрасли промышленности: археологические свидетельства. Winona Lake, IN: Eisenbrauns. стр. 146. ISBN 978-1-57506-042-2.
  4. ^ Attema, PAJ; Los-Weijns, Ma; Pers, ND Maring-Van der (декабрь 2006 г.). «Bronocice, Flintbek, Uruk, JEbel Aruda и Arslantepe: The Early Evidence Of Wheeled Vehicles In Europe And The Near East». Palaeohistoria . 47/48. Университет Гронингена : 10–28 (11). ISBN 9789077922187.
  5. ^ Энтони, Дэвид А. (2007). Лошадь, колесо и язык: как всадники бронзового века из евразийских степей сформировали современный мир . Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press. стр. 67. ISBN 978-0-691-05887-0.
  6. ^ "35. Длинный дом Ольшаницы 6: почему у него широкие двери?". 2018-10-26.
  7. ^ Велушек, А.; Чуфар К. и Зупанчич М. (2009) «Prazgodovinsko leseno kolo z osjo s kolisča Stare gmajne na Ljubljanskem barju», стр. 197–222 в А. Велющеке (ред.). Колищерская насельбина Старе гмайне в ньене а.с. Люблянско барье в 2. половичи 4 . тисочлетя пр. Кр. Opera Instituti Archaeologici Словенская 16. Любляна.
  8. ^ Фаулер, Крис; Хардинг, Ян и Хофманн, Даниэла (ред.) (2015). Оксфордский справочник по неолитической Европе. OUP Oxford. ISBN 0-19-166688-2 . стр. 109. 
  9. ^ Attema, PAJ; Los-Weijns, Ma; Pers, ND Maring-Van der (декабрь 2006 г.). «Bronocice, Flintbek, Uruk, JEbel Aruda и Arslantepe: The Early Evidence Of Wheeled Vehicles In Europe And The Near East». Palaeohistoria . 47/48. Университет Гронингена : 10–28 (19–20). ISBN 9789077922187.
  10. ^ Александр Гассер (март 2003 г.). «Самое старое колесо в мире найдено в Словении». Правительственное коммуникационное управление Республики Словения . Получено 19 августа 2010 г.
  11. ^ "Китайские колесные транспортные средства бронзового века". www.sino-platonic.org . Получено 28.01.2022 .
  12. ^ Ашер, Эбботт Пейсон (1988). История механических изобретений. США: Courier Dover Publications. стр. 98. ISBN 048625593X.
  13. ↑ Элрой Маккендри Эвери, Элементарная физика, Нью-Йорк: Sheldon & Company, 1878.
  14. ↑ Колесо и ось, Всемирная энциклопедия книг, World Book Inc., 1998, стр. 280–281.
  15. ^ Пратер, Эдвард Л. (1994), Базовые машины, Центр профессионального развития и технологий военно-морского образования и подготовки, NAVEDTRA 14037
  16. ↑ Бюро военно-морского персонала, 1971, Основные машины и как они работают, Dover Publications.
  17. ^ Дж. Дж. Уикер, Г. Р. Пеннок и Дж. Э. Шигли, 2003, Теория машин и механизмов, Oxford University Press, Нью-Йорк.
  18. ^ Боузер, Эдвард Альберт, 1890, Элементарный трактат по аналитической механике: с многочисленными примерами. (Первоначально из Мичиганского университета) D. Van Nostrand Company, стр. 190
  19. ^ Бейкер, CE Принципы и практика статики и динамики  ... для использования в школах и частных студентов. Лондон: John Weale, 59, High Holborn. 1851 стр. 26–29 читать онлайн или скачать полный текст

Дополнительные ресурсы

Базовые машины и как они работают, Соединенные Штаты. Бюро военно-морского персонала, Courier Dover Publications 1965, стр. 3–1 и последующий предварительный просмотр онлайн