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 хотя бы 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 в конце 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 небольшого усилия, приложенного к оси, достаточно. 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. ^ Аттема, PAJ; Лос-Вейнс, Массачусетс; Перс, Н.Д. Маринг-Ван дер (декабрь 2006 г.). «Броносице, Флинтбек, Урук, Джебель Аруда и Арслантепе: самые ранние свидетельства существования колесных транспортных средств в Европе и на Ближнем Востоке». Палеоистория . 47/48. Гронингенский университет : 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. ^ Аттема, PAJ; Лос-Вейнс, Массачусетс; Перс, Н.Д. Маринг-Ван дер (декабрь 2006 г.). «Броносице, Флинтбек, Урук, Джебель Аруда и Арслантепе: самые ранние свидетельства существования колесных транспортных средств в Европе и на Ближнем Востоке». Палеоистория . 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. ^ JJ Uicker, GR Pennock и JE Shigley, 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