Колесо и ось — это простая машина , состоящая из колеса, прикрепленного к меньшей оси так, что эти две части вращаются вместе, при этом сила передается от одной к другой. Колесо и ось можно рассматривать как версию рычага, в котором движущая сила приложена по касательной к периметру колеса, а сила нагрузки приложена к оси, поддерживаемой в подшипнике , который служит точкой опоры.
Культуре Халаф 6500–5100 гг. до н. э. приписывают самое раннее изображение колесного транспортного средства, но это сомнительно, поскольку нет никаких свидетельств того, что халафцы использовали колесные транспортные средства или даже гончарные круги. [1]
Одним из первых применений круга был гончарный круг , который использовался в доисторических культурах для изготовления глиняных горшков. Самый ранний тип, известный как «турнетки» или «медленные колеса», был известен на Ближнем Востоке в 5-м тысячелетии до нашей эры. Один из самых ранних примеров был обнаружен в Тепе-Пардисе, Иран , и датирован 5200–4700 годами до нашей эры. Они были сделаны из камня или глины и прикреплены к земле колышком в центре, но для поворота требовались значительные усилия. Настоящие гончарные круги, которые свободно вращаются и имеют колесно-осевой механизм, были разработаны в Месопотамии ( Ирак ) к 4200–4000 гг. до н.э. [2] Самый старый сохранившийся экземпляр, который был найден в Уре (современный Ирак ), датируется примерно 3100 годом до нашей эры. [3]
Свидетельства существования колесных транспортных средств появились к концу 4-го тысячелетия до нашей эры . Изображения колесных повозок , найденные на пиктограммах глиняных табличек в районе Эанна в Уруке , в шумерской цивилизации Месопотамии, датируются 3700–3500 годами до нашей эры. [4] Во второй половине 4-го тысячелетия до нашей эры свидетельства существования колесных транспортных средств появились почти одновременно на Северном Кавказе ( Майкопская культура ) и Восточной Европе ( Кукутенско-Трипольская культура ). Изображения колесного транспортного средства появились между 3500 и 3350 годами до нашей эры в глиняном горшке Броночице, раскопанном в поселении культуры Воронкообразных стаканов на юге Польши . [5] В соседней Ольшанице была построена дверь шириной 2,2 м для входа в вагон; этот сарай имел длину 40 м и имел 3 двери. [6] Сохранившиеся свидетельства комбинации колеса и оси из Старе-Гмайне недалеко от Любляны в Словении ( деревянное колесо Люблянских болот ) датируются с точностью до двух стандартных отклонений 3340–3030 гг. до н.э., а ось - 3360–3045 гг. до н.э. [7] Известны два типа европейских колес и осей раннего неолита; околоальпийский тип конструкции повозки (колесо и ось вращаются вместе, как в Колесе Люблянских болот) и баденской культуры в Венгрии (ось не вращается). Оба они датированы ок. 3200–3000 гг. до н.э. [8] Историки полагают, что распространение колесных транспортных средств с Ближнего Востока в Европу произошло примерно в середине 4-го тысячелетия до нашей эры. [9]
Ранний образец деревянного колеса и его оси был найден в 2002 году на Люблянских болотах примерно в 20 км к югу от Любляны , столицы Словении. Согласно радиоуглеродному датированию , ему от 5100 до 5350 лет. Колесо было сделано из ясеня и дуба , имело радиус 70 см, ось длиной 120 см и дубовая. [10]
В Китае самые ранние свидетельства существования колес со спицами происходят из Цинхая в виде двух ступиц колес с места, датируемого между 2000 и 1500 годами до нашей эры. [11]
В римском Египте Герой Александрийский определил колесо и ось как одну из простых машин , используемых для поднятия тяжестей. [12] Предполагается, что это была лебедка , состоящая из кривошипа или шкива , соединенного с цилиндрическим стволом, что обеспечивало механическое преимущество при намотке веревки и подъеме груза, например ведра, из колодца. [13]
Колесо и ось были идентифицированы учеными эпохи Возрождения как одна из шести простых машин, опираясь на греческие тексты по технологиям. [14]
Простая машина , называемая « колесо и ось», представляет собой узел, образованный двумя дисками или цилиндрами разного диаметра, установленными так, что они вращаются вместе вокруг одной оси. Тонкий стержень, который нужно повернуть, называется осью, а более широкий объект, прикрепленный к оси, к которому мы прикладываем силу, называется колесом. Тангенциальная сила, приложенная к периферии большого диска, может оказывать большее усилие на нагрузку, прикрепленную к оси, обеспечивая механическое преимущество . При использовании в качестве колеса колесного транспортного средства меньший цилиндр является осью колеса, но при использовании в лебедке , лебедке и других подобных устройствах (см. средневековый горный подъемник справа) меньший цилиндр может быть отделен от установленной оси. в подшипниках. Его нельзя использовать отдельно. [15] [16]
Предполагая, что колесо и ось не рассеивают и не накапливают энергию, то есть не имеют трения или эластичности , входная мощность силы, приложенной к колесу, должна равняться выходной мощности на оси. Поскольку система колес и осей 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, поскольку мощность — это произведение 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 — к краю ось B является выходной, тогда отношение скоростей точек A и B определяется как a/b , поэтому отношение выходной силы к входной силе или механическое преимущество определяется выражением
Механическое преимущество простой машины, такой как колесо и ось, рассчитывается как отношение сопротивления к усилию. Чем больше соотношение, тем больше умножение создаваемой силы (крутящего момента) или достигнутого расстояния. Изменяя радиусы оси и/или колеса, можно получить любое механическое преимущество. [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 представляют собой разновидность рычага, система колес и осей подобна составному рычагу. [19]
На колесном транспортном средстве с приводом трансмиссия воздействует на ось, радиус которой меньше радиуса колеса. Таким образом, механическое преимущество намного меньше 1. Таким образом, колесо и ось автомобиля не представляют собой простую машину (цель которой состоит в увеличении силы). Трение между колесом и дорогой на самом деле довольно низкое, поэтому достаточно даже небольшой силы, приложенной к оси. Реальное преимущество заключается в большой скорости вращения оси благодаря трансмиссии.
Механическое преимущество колеса и оси без трения называется идеальным механическим преимуществом (IMA). Он рассчитывается по следующей формуле:
Все настоящие колеса имеют трение, которое рассеивает часть мощности в виде тепла. Фактическое механическое преимущество (AMA) колеса и оси рассчитывается по следующей формуле:
где
Базовые машины и как они работают, США. Бюро военно-морского персонала, Courier Dover Publications, 1965, стр. 3–1 и последующий предварительный просмотр в Интернете.
