Колесо — это круглый компонент, предназначенный для вращения на осевом подшипнике . Колесо является одним из ключевых компонентов колеса и оси , одной из шести простых машин . Колеса в сочетании с осями позволяют легко перемещать тяжелые предметы, облегчая перемещение или транспортировку при поддержке груза или выполнении работы в машинах. Колеса также используются для других целей, например, корабельное колесо , руль , гончарный круг и маховик .
Типичные примеры можно найти в транспортных приложениях. Колесо уменьшает трение , облегчая движение за счет качения вместе с использованием осей . Чтобы колеса вращались, к колесу вокруг его оси необходимо приложить момент либо за счет силы тяжести, либо за счет приложения другой внешней силы или крутящего момента . Используя колесо, шумеры изобрели устройство, которое прядет глину , пока гончар лепит из нее желаемый предмет.
Английское слово колесо происходит от древнеанглийского слова hwēol , от протогерманского * hwehwlaz , от протоиндоевропейского * k wék w los , [1] расширенной формы корня * k w el- «вращаться, передвигаться». Родственные слова в индоевропейском языке включают исландское hjól «колесо, шина», греческое κύκλος kúklos и санскритскую чакру , причем два последних значения означают «круг» или «колесо». [2]
Место и время изобретения колеса остаются неясными, поскольку древнейшие намеки не гарантируют существования настоящего колесного транспорта, либо датированы со слишком большим разбросом [ нужны дальнейшие пояснения ] . [3] Месопотамской цивилизации приписывают изобретение колеса в нескольких, в основном старых источниках. [4] [5] [6] Однако некоторые недавние источники либо предполагают, что оно было изобретено независимо как в Месопотамии, так и в Восточной Европе , либо приписывают изобретение колеса доисторическим восточноевропейцам [7] [8 ] [9] [10] и что в отличие от других революционных изобретений, колесо не может быть приписано одному или нескольким изобретателям. Доказательства раннего использования колесных тележек были обнаружены на Ближнем Востоке , в Европе , Восточной Европе , Индии и Китае . Неизвестно, изобрели ли колесо самостоятельно китайцы, индийцы, европейцы и даже месопотамцы. [11] [12]
Изобретение твердого деревянного дискового колеса приходится на поздний неолит , и его можно рассматривать в сочетании с другими технологическими достижениями, которые привели к раннему бронзовому веку . Это подразумевает, что прошло несколько тысячелетий без колес даже после изобретения земледелия и гончарного дела , во время керамического неолита .
Культуре Халаф 6500–5100 гг. до н. э. иногда 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. [13] Предшественники гончарных кругов, известные как «турнеты» или «медленные колеса», были известны на Ближнем Востоке к 5-му тысячелетию 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. [14] Самый старый сохранившийся экземпляр, который был найден в Уре (современный Ирак ), датируется примерно 3100 годом до нашей эры. [15] Колеса неопределенных дат также были найдены в цивилизации долины Инда , цивилизации 4-го тысячелетия до нашей эры, охватывающей территории современной Индии и Пакистана . [16]
Древнейшие косвенные свидетельства колесного движения были найдены в виде миниатюрных глиняных колес к северу от Черного моря до 4000 г. до н.э. Начиная с середины 4-го тысячелетия до нашей эры, свидетельства концентрируются по всей Европе в виде игрушечных машинок, изображений или колей, причем самая старая находка в Северной Германии датируется примерно 3400 годом до нашей эры. [17] [18] [19] В Месопотамии изображения колесных повозок , найденные на пиктограммах глиняных табличек в районе Эанна в Уруке , в шумерской цивилизации, датируются ок. 3500–3350 гг. до н.э. [20] Во второй половине 4-го тысячелетия до нашей эры свидетельства существования колесных транспортных средств появились почти одновременно на Северном ( Майкопская культура ) и Южном Кавказе и в Восточной Европе ( Кукутень-трипольская культура ).
Изображения колесного транспортного средства появились между 3631 и 3380 годами до нашей эры в глиняном горшке Броночице, раскопанном в поселении культуры Воронкообразных стаканов на юге Польши . [21] В соседней Ольшанице была построена дверь шириной 2,2 м для входа в вагон; этот сарай был 40 м в длину с тремя дверями, датирован 5000 г. до н.э. — 7000 лет назад и принадлежал неолитической культуре линейной керамики . 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., ось - 3360–3045 гг. до н.э. [22] Известны два типа европейских колес и осей раннего неолита: 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 датированы ок. 3200–3000 гг. до н.э. [23] Некоторые историки полагают, что распространение колесных транспортных средств с Ближнего Востока в Европу произошло примерно в середине 4-го тысячелетия до нашей эры. [24]
Ранние колеса представляли собой простые деревянные диски с отверстием для оси. Некоторые из самых ранних колес были сделаны из горизонтальных срезов стволов деревьев. Из-за неравномерной структуры древесины колесо, сделанное из горизонтального среза ствола дерева, будет хуже, чем колесо, сделанное из закругленных кусков продольных досок.
Колесо со спицами было изобретено совсем недавно и позволило создавать более легкие и быстрые автомобили. Самые ранние известные образцы колес с деревянными спицами относятся к синташтинской культуре и датируются ок. 2000 г. до н.э. ( озеро Кривое ). Вскоре после этого в конных культурах Кавказского региона на протяжении большей части трех столетий использовались боевые колесницы со спицами, запряженные лошадьми . Они двинулись вглубь греческого полуострова, где соединились с существующими средиземноморскими народами, чтобы в конечном итоге дать начало классической Греции после разрушения минойского господства и консолидации во главе с доклассической Спартой и Афинами . Кельтские колесницы представили железный обод вокруг колеса в I тысячелетии до нашей эры.
В Китае следы колес, датируемые примерно 2200 годом до нашей эры, были найдены в Пинлянтай, месте культуры Луншань . [25] Подобные следы были также найдены в Янши , городе культуры Эрлитоу , датируемом примерно 1700 годом до нашей эры. Самые ранние свидетельства существования колес со спицами в Китае происходят из Цинхая и представляют собой две ступицы колес с места, датируемого между 2000 и 1500 годами до нашей эры. [26]
В Великобритании в 2016 году на территории фермы Маст в Восточной Англии было обнаружено большое деревянное колесо диаметром около 1 м (3,3 фута). Образец, датируемый 1100–800 гг. до н. э., представляет собой наиболее полный и самый ранний из его экземпляров. тип найден в Великобритании. Ступица колеса также присутствует. Найденный поблизости позвоночник лошади позволяет предположить, что колесо могло быть частью телеги, запряженной лошадьми. Колесо было найдено в поселении, построенном на сваях над заболоченной местностью, что указывает на то, что поселение имело какую-то связь с сушей. [27]
Хотя до контакта с европейцами в Америке не наблюдалось крупномасштабного использования колес , в мексиканских археологических раскопках были найдены многочисленные небольшие артефакты с колесиками, идентифицированные как детские игрушки, некоторые из которых датируются примерно 1500 годом до нашей эры. [28] Некоторые утверждают, что основным препятствием на пути крупномасштабного развития колеса в Америке было отсутствие одомашненных крупных животных, которых можно было бы использовать для буксировки колесных повозок. [29] Ближайший родственник крупного рогатого скота , обитавший в Америке в доколумбовые времена, американский бизон , которого трудно приручить, и он никогда не был приручен коренными американцами; несколько видов лошадей существовали примерно 12 000 лет назад, но в конечном итоге вымерли. [30] Единственное крупное животное, одомашненное в Западном полушарии, лама , вьючное животное, физически не было приспособлено для использования в качестве тяглового животного для буксировки колесных транспортных средств, [31] и использование ламы не распространилось далеко за пределы Анды ко времени прихода европейцев.
С другой стороны, мезоамериканцы никогда не изобрели ни тачку , ни гончарный круг , ни какой-либо другой практический предмет с кругом или колесами. [32] [33] Несмотря на то, что колесо присутствует во многих игрушках, очень похожих на те, что встречаются во всем мире и до сих пор изготавливаются для детей («игрушки-коляски»), [32] [33] колесо никогда не применялось на практике в Мезоамерика до 16 века. [32] [33] Возможно, майя ближе всего подошли к утилитарному колесу - это веретено , и некоторые ученые полагают, что эти игрушки изначально делались с веретеном и палочками в качестве «колес» и «топоров». [33]
Австралийские аборигены традиционно использовали для тренировок по стрельбе круглые диски, катящиеся по земле. [34]
Нубийцы примерно после 400 г. до н.э. использовали колеса для прядения керамики и в качестве водяных колес . [35] Считается, что нубийские водяные колеса могли приводиться в движение волами. [36] Также известно, что нубийцы использовали конные колесницы, привезенные из Египта . [37]
Начиная с 18 века в Западной Африке, колесные транспортные средства в основном использовались в церемониальных целях в таких местах, как Дагомея . [38] Колесо почти не использовалось для транспорта, за исключением Эфиопии и Сомали в Африке к югу от Сахары, вплоть до 19 века. [39] [38]
Колесо со спицами продолжало использоваться без серьезных модификаций до 1870-х годов, когда были изобретены колеса с проволочными спицами и пневматические шины . [40] Пневматические шины могут значительно снизить сопротивление качению и повысить комфорт. Проволочные спицы находятся под напряжением, а не сжатием, что позволяет сделать колесо одновременно жестким и легким. Ранние проволочные колеса с радиальными спицами привели к появлению проволочных колес с тангенциальными спицами, которые широко использовались в автомобилях до конца 20 века. Литые легкосплавные диски теперь используются чаще; Кованые легкосплавные диски используются, когда вес имеет решающее значение.
Изобретение колеса также имело важное значение для технологии в целом, включая водяное колесо , зубчатое колесо (см. также антикиферский механизм ), прялку и астролябию или крутящий момент . Более современные потомки колеса включают пропеллер , реактивный двигатель , маховик ( гироскоп ) и турбину .
Колесному транспортному средству для перемещения требуется гораздо меньше усилий, чем просто тащить тот же груз. Низкое сопротивление движению объясняется тем, что работа трения совершается уже не на поверхности, по которой движется транспортное средство, а в подшипниках . В самом простом и старом случае подшипник представляет собой круглое отверстие, через которое проходит ось («подшипник скольжения »). Даже при использовании подшипника скольжения работа трения значительно снижается, поскольку:
Пример:
Дополнительная энергия теряется из-за контакта колеса с дорогой. Это называется сопротивлением качению , которое представляет собой преимущественно потери на деформацию. Это зависит от характера грунта, материала колеса, его накачки в случае шины, чистого крутящего момента, создаваемого возможным двигателем, и многих других факторов.
Колесо также может дать преимущества при перемещении по неровным поверхностям, если радиус колеса достаточно велик по сравнению с неровностями.
Колесо само по себе не является машиной, но, будучи прикреплено к оси вместе с подшипником, оно образует колесо и ось , одну из простых машин . Ведомое колесо является примером колеса и оси. Колеса появились примерно на 6000 лет раньше ведомых колес, что само по себе является результатом эволюции использования круглых бревен в качестве роликов для перемещения тяжелого груза — практика, уходящая корнями в доисторическую эпоху и до сих пор не датированная.
Обод — это «внешний край колеса, удерживающий шину». [41] Он представляет собой внешнюю круглую конструкцию колеса, на котором установлен внутренний край шины на транспортных средствах, таких как автомобили . Например, на велосипедном колесе обод представляет собой большой обруч , прикрепленный к внешним концам спиц колеса, который удерживает покрышку и камеру.
В I тысячелетии до нашей эры вокруг деревянных колес колесниц появился железный обод .
Ступица — это центр колеса, в ней обычно находится подшипник и место соединения спиц.
Колесо без ступицы (также известное как колесо с ободом или бесцентровое колесо) — это тип колеса без центральной ступицы. Точнее, ступица на самом деле почти такого же размера, как и само колесо. Ось полая и повторяет положение колеса с очень малыми допусками .
Спица — это один из некоторого количества стержней , исходящих из центра колеса ( ступицы , к которой соединяется ось ), соединяющих ступицу с круглой тяговой поверхностью. Первоначально этот термин относился к частям бревна, разделенного по длине на четыре или шесть частей. Радиальные элементы телегного колеса изготавливались путем вырезания спицы (из бревна) до готовой формы. Спиц -шейв — это инструмент , изначально разработанный для этой цели. В конце концов, термин «спица» стал чаще применяться к готовому продукту работы колесного мастера , чем к используемым материалам.
Обода проволочных колес (или « колес со спицами») соединены со ступицами проволочными спицами . Хотя эти тросы обычно более жесткие, чем обычные стальные тросы , механически они действуют так же, как и натянутые гибкие тросы, сохраняя обод в вертикальном положении и выдерживая приложенные нагрузки.
Проволочные колеса используются на большинстве велосипедов и до сих пор используются на многих мотоциклах . Они были изобретены авиационным инженером Джорджем Кэли и впервые использованы в велосипедах Джеймсом Старли . Процесс сборки проволочных колес описывается как колесостроение .
Шина (в американском английском и канадском английском ) или шина (в некоторых странах Содружества, таких как Великобритания, Индия , Южная Африка , Австралия и Новая Зеландия ) представляет собой кольцеобразное покрытие, которое надевается на обод колеса , чтобы защитить его и улучшить качество транспортного средства. производительность за счет создания гибкой подушки, которая поглощает удары, сохраняя при этом тесный контакт колеса с землей. Само слово может происходить от слова «связь», которое относится к части внешнего стального кольца деревянного колеса телеги, которая связывает деревянные сегменты вместе (см. Этимологию выше).
Основными материалами современных шин являются синтетический каучук , натуральный каучук , ткань и проволока, а также другие химические соединения. Они состоят из протектора и корпуса. Протектор обеспечивает сцепление , а корпус обеспечивает поддержку. До изобретения резины первые версии шин представляли собой просто металлические ленты, которые надевались на деревянные колеса для предотвращения износа. Сегодня подавляющее большинство шин представляют собой пневматические надувные конструкции , состоящие из кордов и проводов в форме пончика, заключенных в резину и обычно заполненных сжатым воздухом для образования надувной подушки. Пневматические шины используются на многих типах транспортных средств, таких как автомобили , велосипеды , мотоциклы , грузовики , землеройные машины и самолеты .
В условиях экстремального бездорожья было изобретено несколько типов колпаков колес, которые могут быть выполнены в виде съемных приспособлений или в виде постоянных чехлов. Такие колеса больше не обязательно круглые или имеют панели, которые делают поверхность контакта с землей плоской.
Примеры включают в себя:
Колеса грузовиков и автобусов могут заблокироваться (перестать вращаться) при определенных обстоятельствах, например, при отказе тормозной системы. Чтобы помочь обнаружить это, они иногда оснащаются «индикаторами вращения колес»: цветными полосками пластика, прикрепленными к ободу и выступающими из него, так что водитель может видеть их в зеркалах бокового обзора . Эти устройства были изобретены и запатентованы в 1998 году владельцем канадского магазина грузовых автомобилей. [45]
Хотя колеса очень широко используются для наземного транспорта, существуют альтернативы, некоторые из которых подходят для местности, где колеса неэффективны. Альтернативные методы наземного транспорта без колес включают:
Колесо также стало мощной культурной и духовной метафорой цикла или регулярного повторения (см. чакру , реинкарнацию , Инь и Ян и другие). По этой причине, а также из-за труднопроходимой местности, колесные транспортные средства были запрещены в старом Тибете . Колесо в древнем Китае считается символом здоровья и силы и используется в некоторых деревнях как инструмент для предсказания будущего здоровья и успеха. Диаметр колеса – показатель будущего здоровья. Калачакра или колесо времени также является предметом некоторых форм буддизма , наряду с дхармачакрой . [46] [47]
Крылатое колесо является символом прогресса, который можно увидеть во многих контекстах, включая герб Панамы , логотип дорожного патруля штата Огайо и Государственную железную дорогу Таиланда . Колесо также является выдающейся фигурой на флаге Индии . Колесо в данном случае представляет закон ( дхарму ). Он также появляется на флаге цыган , намекая на их кочевую историю и индийское происхождение.
Внедрение колес со спицами ( колесниц ) в эпоху средней бронзы, по-видимому, имело определенный престиж. Солнечный крест, по-видимому, имеет значение в религии бронзового века , заменяя более раннюю концепцию солнечной баржи более «современной» и технологически продвинутой солнечной колесницей . Колесо также было солярным символом у древних египтян . [48]
В современном понимании «изобретение колеса» можно рассматривать как символ одной из первых технологий ранней цивилизации, наряду с сельским хозяйством и металлообработкой, и, таким образом, использовать в качестве ориентира для оценки уровня социального прогресса. [ нужна цитата ]
Некоторые неоязычники, такие как виккане, внедрили Колесо года в свою религиозную практику. [49]
Не было ни колесных повозок, ни даже тачек. Хотя игрушки и украшения на колесиках были найдены на стоянках Мезоамерики, колесо никогда не использовалось на практике.
Одна из величайших технологических загадок экономической истории стран Африки к югу от Сахары заключается в том, что до колониального периода колесный транспорт практически не использовался. Вместо этого основным методом транспортировки был носильщик.