Колесо — это вращающийся компонент (обычно круглой формы), который предназначен для вращения на подшипнике оси . Колесо — один из ключевых компонентов колеса и оси , которые являются одними из шести простых машин . Колеса в сочетании с осями позволяют легко перемещать тяжелые предметы, облегчая перемещение или транспортировку при поддержании груза или выполнении работы в машинах. Колеса также используются для других целей, например, в качестве корабельного колеса , рулевого колеса , гончарного круга и маховика .
Распространенные примеры можно найти в транспортных приложениях. Колесо уменьшает трение , облегчая движение путем качения вместе с использованием осей . Для того, чтобы колеса вращались, к колесу должен быть приложен момент вокруг его оси, либо посредством силы тяжести, либо путем приложения другой внешней силы или крутящего момента .
Английское слово wheel происходит от древнеанглийского слова hwēol , от протогерманского * hwehwlaz , от протоиндоевропейского * k w ék w los , [1] расширенной формы корня * k w el- ' вращаться, двигаться вокруг ' . Когнаты в индоевропейском языке включают исландское hjól ' колесо, шина ' , греческое κύκλος kúklos и санскритское chakra , последние два означают ' круг ' или ' колесо ' . [2]
Место и время изобретения колеса остаются неясными, поскольку самые древние намеки не гарантируют существования реального колесного транспорта или датируются с большим разбросом [ необходимо дополнительное объяснение ] . [3] Месопотамской цивилизации приписывают изобретение колеса несколько, в основном старых источников. [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 восточным европейцам [7] [8] [9] [10] и что в отличие от других прорывных изобретений, колесо нельзя приписать одному или нескольким изобретателям. Свидетельства раннего использования колесных повозок были найдены по всему Ближнему Востоку , в Европе , Восточной Европе , Индии и Китае . Неизвестно, изобрели ли колесо китайцы, индийцы, европейцы и даже месопотамцы независимо или нет. [11] [12]
Изобретение цельного деревянного дискового колеса относится к позднему неолиту и может рассматриваться в связи с другими технологическими достижениями, которые привели к раннему бронзовому веку . Это подразумевает прохождение нескольких тысячелетий без колес даже после изобретения сельского хозяйства и керамики в течение акерамического неолита .
Культура Халафа 6500–5100 гг. до н. э. иногда считается самым ранним изображением колесного транспортного средства, но это сомнительно, поскольку нет никаких свидетельств того, что халафийцы использовали колесные транспортные средства или даже гончарные круги. [13] Считается, что гончарные круги использовались в 4-м тысячелетии до н. э. на Ближнем Востоке. [14] Самый старый из дошедших до наших дней образцов гончарного круга был найден в Уре (современный Ирак ) и датируется примерно 3100 г. до н. э. [15] Однако гончарный круг в Западной Украине , культура Кукутень-Триполье , датируется серединой 5-го тысячелетия до н. э. и является самым древним из когда-либо найденных, и который еще более предшествует самому раннему использованию гончарного круга в Месопотамии. [16] [17] [18] [19] [20] [21] Колеса с неопределенными датами также были найдены в цивилизации долины Инда , цивилизации конца 4-го тысячелетия до н. э., охватывающей территории современной Индии и Пакистана . [22]
Древнейшее косвенное свидетельство о колесном движении было найдено в виде миниатюрных глиняных колес к северу от Черного моря до 4000 г. до н. э. С середины 4-го тысячелетия до н. э. и далее доказательства сгущаются по всей Европе в виде игрушечных машин, изображений или колей, причем самая старая находка в Северной Германии датируется примерно 3400 г. до н. э. [23] [24] [25] В Месопотамии изображения колесных повозок , найденные на пиктограммах на глиняных табличках в районе Эанна в Уруке , в шумерской цивилизации, датируются примерно 3500–3350 гг. до н. э. [26] Во второй половине 4-го тысячелетия до н. э. свидетельства о колесных транспортных средствах появились почти одновременно в Северной ( Майкопская культура ) и Южном Кавказе и Восточной Европе ( культура Кукутень-Триполье ).
Изображения колесного транспортного средства появились между 3631 и 3380 гг. до н. э. в глиняном горшке Броночице, раскопанном в поселении культуры воронковидных кубков на юге Польши . [27] В соседней Ольшанице для въезда повозки была сооружена дверь шириной 2,2 м; этот амбар был длиной 40 м с тремя дверями, датировался 5000 г. до н. э. и принадлежал к неолитической культуре линейной керамики . [ необходима цитата ] Сохранившиеся свидетельства комбинации колеса и оси из Старе Гмайне близ 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. [28] 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. [29] Некоторые историки полагают, что произошло распространение колесного транспортного средства с Ближнего Востока в Европу около середины 4-го тысячелетия до н. э. [30]
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 неровной структуры древесины колесо, сделанное из горизонтального среза ствола дерева, будет, как правило, хуже колеса, сделанного из округлых кусков продольных досок.
Колесо со спицами было изобретено позднее и позволило строить более легкие и быстрые транспортные средства. Самые ранние известные примеры деревянных колес со спицами относятся к культуре Синташты , датируемой примерно 2000 г. до н. э. ( Кривое озеро ). Вскоре после этого конные культуры Кавказского региона использовали конные боевые колесницы со спицами на протяжении большей части трех столетий. Они продвинулись вглубь Греческого полуострова, где объединились 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 1-м тысячелетии до н. э.
В Китае следы колес, датируемые примерно 2200 г. до н. э., были найдены в Пинлянтай, месте культуры Луншань . [31] Похожие следы были также найдены в Яньши , городе культуры Эрлитоу , датируемом примерно 1700 г. до н. э. Самые ранние свидетельства наличия колес со спицами в Китае происходят из Цинхая , в виде двух ступиц колес с места, датируемого между 2000 и 1500 гг. до н. э. [32] Колесные транспортные средства были завезены в Китай с запада. [33] [34] [35]
В Британии в 2016 году на участке Маст-Фарм в Восточной Англии было обнаружено большое деревянное колесо диаметром около 1 м. Образец, датируемый 1100–800 гг. до н. э., представляет собой наиболее полный и ранний экземпляр такого типа, найденный в Британии. Ступица колеса также присутствует. Найденный поблизости позвоночник лошади предполагает, что колесо могло быть частью конной повозки. Колесо было найдено в поселении, построенном на сваях над водно-болотными угодьями, что указывает на то, что поселение имело какую-то связь с сушей. [36]
Хотя до контакта с европейцами в Америке не было широкомасштабного использования колес , в мексиканских археологических памятниках были найдены многочисленные небольшие колесные артефакты, идентифицированные как детские игрушки, некоторые из которых датируются примерно 1500 годом до н. э. [37] Некоторые утверждают, что основным препятствием для широкомасштабного развития колеса в Америке было отсутствие одомашненных крупных животных, которых можно было бы использовать для тяги колесных повозок. [38] Ближайший родственник крупного рогатого скота, присутствовавший в Америке в доколумбовые времена, американский бизон , с трудом поддается одомашниванию и никогда не был одомашнен коренными американцами; несколько видов лошадей существовали примерно до 12 000 лет назад, но в конечном итоге вымерли. [39] Единственное крупное животное, которое было одомашнено в Западном полушарии, лама , вьючное животное, физически не подходило для использования в качестве тяглового животного для тяги колесных транспортных средств, [40] и использование ламы не распространилось далеко за пределы Анд ко времени прибытия европейцев.
С другой стороны, месоамериканцы никогда не изобретали тачку , гончарный круг или какой-либо другой практический предмет с колесом или колесами. [41] [42] Хотя колесо и присутствует в ряде игрушек, очень похожих на те, что встречаются по всему миру и которые до сих пор изготавливаются для детей («игрушки для вытягивания»), [41] [42] колесо никогда не использовалось на практике в Мезоамерике до XVI века. [41] [42] Возможно, ближе всего к утилитарному колесу майя подошли пряслица , и некоторые ученые полагают, что эти игрушки изначально изготавливались с пряслицами и палочками в качестве «колес» и «топоров». [42]
Австралийские аборигены традиционно использовали круглые диски, катавшиеся по земле, для стрельбы по мишеням. [43]
Нубийцы примерно после 400 г. до н. э. использовали колеса для прядения керамики и в качестве водяных колес . [44] Считается, что нубийские водяные колеса могли приводиться в движение волами. [45] Также известно, что нубийцы использовали конные колесницы, импортированные из Египта . [46]
Начиная с 18 века в Западной Африке колёсные транспортные средства в основном использовались для церемониальных целей в таких местах, как Дагомея . [47] Колесо практически не использовалось для транспортировки, за исключением Эфиопии и Сомали в странах Африки к югу от Сахары вплоть до 19 века. [48] [47]
Колесо со спицами использовалось без существенных изменений до 1870-х годов, когда были изобретены колеса со спицами из проволоки и пневматические шины . [49] Пневматические шины могут значительно снизить сопротивление качению и повысить комфорт. Проволочные спицы находятся под напряжением, а не под сжатием, что позволяет колесу быть одновременно жестким и легким. Ранние колеса с радиальными спицами дали начало колесам с тангенциальными спицами, которые широко использовались на автомобилях до конца 20-го века. Литые литые диски теперь используются чаще; кованые литые диски используются, когда вес имеет решающее значение.
Изобретение колеса также имело важное значение для технологии в целом, важные приложения включают водяное колесо , зубчатое колесо (см. также антикитерский механизм ), прялку и астролябию или торкнетум . Более современные потомки колеса включают пропеллер , реактивный двигатель , маховик ( гироскоп ) и турбину .
Колесному транспортному средству требуется гораздо меньше работы для перемещения, чем простое перетаскивание того же веса. Низкое сопротивление движению объясняется тем, что работа трения совершается не на поверхности, по которой движется транспортное средство, а в подшипниках . В простейшем и старейшем случае подшипник представляет собой просто круглое отверстие, через которое проходит ось (« подшипник скольжения »). Даже с подшипником скольжения работа трения значительно уменьшается, потому что:
Пример:
Дополнительная энергия теряется в интерфейсе колесо-дорога. Это называется сопротивлением качению , которое в основном является потерей деформации. Оно зависит от характера грунта, материала колеса, его накачки в случае шины, чистого крутящего момента, создаваемого конечным двигателем, и многих других факторов.
Колесо также может обеспечить преимущества при пересечении неровных поверхностей, если радиус колеса достаточно велик по сравнению с неровностями.
Колесо само по себе не является машиной, но когда оно прикреплено к оси в сочетании с подшипником, оно образует колесо и ось , одну из простейших машин . Ведомое колесо является примером колеса и оси. Колеса появились раньше ведомых колес примерно на 6000 лет, сами по себе являясь эволюцией использования круглых бревен в качестве роликов для перемещения тяжелого груза — практика, уходящая корнями в доисторические времена настолько, что ее не удалось датировать.
Обод — это «внешний край колеса, удерживающий шину». [50] Он составляет внешнюю круглую конструкцию колеса, на которой устанавливается внутренний край шины на транспортных средствах, таких как автомобили . Например, на велосипедном колесе обод — это большой обруч , прикрепленный к внешним концам спиц колеса, который удерживает шину и камеру.
В I тысячелетии до н. э. вокруг деревянных колес колесниц появился железный обод .
Ступица — это центр колеса, в котором обычно находится подшипник и место соединения спиц.
Колесо без ступицы (также известное как колесо с ободом или колесо без центра) — это тип колеса без центральной ступицы. Точнее, ступица на самом деле почти такая же большая, как само колесо. Ось полая , следует за колесом с очень малыми допусками .
Спица — это один из некоторого количества стержней, исходящих из центра колеса ( ступицы , где соединяется ось ), соединяющих ступицу с круглой тяговой поверхностью. Первоначально этот термин относился к частям бревна, которые были разделены по длине на четыре или шесть секций. Радиальные элементы колеса повозки изготавливались путем вырезания спицы (из бревна) в их готовой форме. Стружка для спицы — это инструмент , изначально разработанный для этой цели. В конечном итоге термин спица стал чаще применяться к готовому продукту работы колесника , чем к используемым материалам.
Обода проволочных колес (или «колес со спицами») соединены со ступицами проволочными спицами . Хотя эти провода , как правило, жестче, чем типичный проволочный канат , они механически функционируют так же, как натянутые гибкие провода, удерживая обод в правильном 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 Кейли и впервые использованы в велосипедах Джеймсом Старли . Процесс сборки проволочных колес описывается как wheelbuilding .
Шина (в американском и канадском английском ) или шина ( в некоторых странах Содружества, таких как Великобритания, Индия , Южная Африка , Австралия и Новая Зеландия ) — это кольцеобразное покрытие, которое надевается на обод колеса , чтобы защитить его и обеспечить лучшую производительность транспортного средства, обеспечивая гибкую подушку, которая поглощает удары, сохраняя при этом тесный контакт колеса с землей. Само слово может быть получено от слова «tie», которое относится к внешней стальной кольцевой части 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 — поддержку. До изобретения резины первые версии шин представляли собой просто полосы металла, которые надевались на деревянные колеса для предотвращения износа. Сегодня подавляющее большинство шин представляют собой пневматические надувные конструкции , состоящие из корпуса в форме пончика из шнуров и проводов, заключенных в резину и обычно заполненных сжатым воздухом для формирования надувной подушки. Пневматические шины используются на многих типах транспортных средств, таких как автомобили , велосипеды , мотоциклы , грузовики , землеройные машины и самолеты .
Экстремальные условия бездорожья привели к изобретению нескольких типов колпаков колес, которые могут быть выполнены как съемные насадки или как постоянные колпаки. Такие колеса больше не обязательно круглые или имеют панели, которые делают область контакта с землей плоской.
Вот несколько примеров:
Колеса грузовиков и автобусов могут блокироваться (перестать вращаться) при определенных обстоятельствах, таких как отказ тормозной системы. Чтобы помочь обнаружить это, они иногда оснащены «индикаторами вращения колеса»: цветными полосками пластика, прикрепленными к ободу и выступающими из него, так что водитель может видеть их в боковых зеркалах . Эти устройства были изобретены и запатентованы в 1998 году канадским владельцем магазина грузовиков. [54]
Хотя колеса очень широко используются для наземного транспорта, существуют альтернативы, некоторые из которых подходят для местности, где колеса неэффективны. Альтернативные методы для наземного транспорта без колес включают:
Колесо также стало сильной культурной и духовной метафорой цикла или регулярного повторения (см. чакра , реинкарнация , Инь и Ян и др.). Как таковое, а также из-за труднопроходимой местности, колесные транспортные средства были запрещены в старом Тибете . Колесо в древнем Китае считалось символом здоровья и силы и использовалось некоторыми деревнями как инструмент для предсказания будущего здоровья и успеха. Диаметр колеса является показателем будущего здоровья человека. Калачакра или колесо времени также является предметом в некоторых формах буддизма , наряду с дхармачакрой . [55] [56]
Крылатое колесо является символом прогресса, его можно увидеть во многих контекстах, включая герб Панамы , логотип Дорожного патруля штата Огайо и Государственной железной дороги Таиланда . Колесо также является заметной фигурой на флаге Индии . В данном случае колесо олицетворяет закон ( дхарму ). Оно также появляется на флаге народа рома , намекая на их кочевую историю и индийское происхождение.
Введение колес со спицами ( колесниц ) в Среднем Бронзовом веке, по-видимому, несло с собой некий престиж. Солнечный крест , по-видимому, имел значение в религии Бронзового века , заменив раннюю концепцию солнечной баржи более «современной» и технологически продвинутой солнечной колесницей . Колесо также было солнечным символом для Древних Египтян . [57]
В современном использовании «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 общественного прогресса. [ необходима цитата ]
Некоторые неоязычники , такие как виккане, приняли Колесо года в свои религиозные практики. [58]
Не было ни колесных тележек, ни даже тачек. Хотя на мезоамериканских стоянках были найдены колесные игрушки и украшения, колесо никогда не использовалось на практике.
Одной из величайших технологических загадок экономической истории стран Африки к югу от Сахары является то, что колесный транспорт почти не использовался до колониального периода. Вместо этого основным методом транспортировки был носильщик.