Колесо

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Колісна пара залізничного локомотива, встановлена як монумент у Трірі, Німеччина
Колеса космічного апарата

Ко́лесо (англ. wheel) — це деталь машини, механізму чи пристрою у вигляді кола зі спицями або диска, що обертається навколо своєї осі і забезпечує передавання та підтримання руху[1]. Колесо вважається простим механізмом, коли воно насаджене на фіксовану або рухому вісь, яка проходить через його центр — для створення механічної передачі. Воно також є однією з основних деталей простого механізму — коловорота[2], призначеного для перетворення поступального руху в обертовий і навпаки. Винахід колеса приблизно 6 тисяч років тому був значним кроком у технічному поступі людства.

Етимологія[ред.ред. код]

Українською слово «Колесо» походить від цер.-слов. «коло» — одного з найдавніших загальнослов'янських слів з коренями в праіндоєвропейській мові (kwekwlo-)[3].

Давньоруською слово звучало і писалось як коло, у називному відмінку множини цер.-слов. колеса, болг. кола — «віз», словен. kolô, чеськ. kolo, словац. kolo, пол. koło, в.-луж. koleso, н.-луж. kόlaso. Споріднене «прус. -kelan»«maluna-kelan» — «млинове колесо»), дав.-гр. πόλος — «вісь», ісл. hvel — «колесо», давн-англ. hvéol — «колесо», грец. πολέω — «рухаюсь довкола», лат. colō — «обробляю, населяю».

Будова[ред.ред. код]

Колесо — це об'єкт круглої дископодібної форми, що має можливість обертатися навколо своєї осі. Для зменшення маси колесо часто виготовляють із зовнішнім ободом, який кріпиться до маточини радіальними спицями або диском.

Принцип дії[ред.ред. код]

При перетворенні поступального руху в обертову тягу сила прикладається перпендикулярно до осі. Тяга забезпечується зовнішньою силою, наприклад, кіньми. В такому випадку призначення колеса — зменшення сили тертя. Це зменшення забезпечується заміною тертя ковзання тертям кочення. Тертя кочення набагато менше, ніж тертя ковзання.

При перетворенні обертового руху в поступальний до осі колеса прикладається крутильний момент. В цьому випадку використовується тертя спокою, яке набагато більше, ніж тертя кочення. Колесо неефективне, якщо воно проковзує на поверхні (пробуксовує).

Часто в механічних екіпажах використовуються обидва типи перетворення: є колеса з приводом, і колеса, що зменшують тертя. Так, наприклад, у довгому потягу локомотив використовує тертя спокою, що дозволяє йому тягнути за собою понад 20 вагонів, на колеса яких діє тертя кочення.

Колесо істотно зменшує витрати енергії на переміщення вантажу по відносно рівній поверхні. При використанні колеса робота здійснюється проти сили тертя кочення, яка в штучних умовах доріг істотно менша, ніж сила тертя ковзання.

Історичний нарис[ред.ред. код]

Колесо візка, виготовлене із дерев'яної колоди

Довгий час поширеною була версія, що колесо вперше виникло в шумерській культурі Месопотамії в кін. 4 тис. до н. е. і поширилося по Євразії та Північній Африці. Але археологічні знахідки кінця 20 ст. свідчать про те, що механізм колеса, швидше за все, був винайдений на території Центральної Європи, а вже звідти потрапив на Близький Схід.

Найперші зображення механізму колеса та возів знайдені на території сучасної Польщі, Румунії та в євразійських степах. На думку фінського вченого Аско Парполи, індолога з Гельсінгського університету, існують лінгвістичні причини вважати, що колесо виникло в Трипільській культурі на території сучасної України[4]. Версію про європейське походження колеса висунув у 1990-х німецький вчений А.Хойслер. Про знахідки моделей колес у розкопках трипільських поселень останньої чверті 5 тис. до н. е. (за тисячоліття до відповідних знахідок у Месопотамії) повідомляв ще у 1981 р. у наукових публікаціях румунський археолог Діну. Звідси інновація швидко поширилася по Європі: згадки про колесо зустрічаються у поселеннях Зюшен (Німеччина), Броночице (Польща), рештки возів знайдені у кін. 1980-х на території Краснодарського краю Росії датуванням сер. 4 тис. до н. е.[5]

Наступні згадки про колесо зустрічаються у Месопотамії у кін. 4-ого тисячоліття до н. е. Попередниками колеса можна вважати відомий до цього дерев'яний каток, котрий підкладався під вантаж при пересуванні. Початково колесо являло собою дерев'яний диск, настромлений на вісь і зафіксований клином. Зображення санок з коліщатами (3000 р. до н. е.) знайдені в Межиріччі у шумерському місті Урук. До 2700 року до н. е. там же з'являються малюнки возів. У той же час шумери починають ховати своїх царів разом із колісницями. Ці поховання відшукані в Кіші, Урі, в еламському місті Сузи. У 2-му тисячолітті до н. е. конструкція його вдосконалюється: у Малій Азії з'являеться колесо зі спицями, маточиною та гнутим ободом. Пізніше, у 1-му тисячолітті до н. е. кельти для підвищення міцності коліс своїх колісниць стали застосовувати металевий обід, котрий потім у транспортних машинах було замінено гумовими шинами для амортизації.

Попри те, що колесо не було відомим серед цивілізацій доколумбової Америки, деякі народи, наприклад інки, впритул наблизилися до його відкриття. Також до приходу європейців коліс не знали корінні народи Австралії і південної Африки.

Винахід колеса сприяв розвою ремесел. Колесо було застосовано у гончарному крузі, млині, прядці, токарному верстаті, у іригаційних спорудах, на мануфактурних фабриках, родовищах тощо Застосовувалися також водяні колеса.

Винахід колеса дав поштовх і до розвитку науки загалом. Так, воно застосовується в астролябії та інших наукових інструментах. У механіці широко використовується зубчасте колесо.

Важливе значення колеса у господарській сфері відбилося в його метафоричному обожненні у вигляді «Вічного повернення», «колеса Сансари», реінкарнації і т. д. У різноманітних культурах колесо є символом руху сонця, у буддизмі воно символізує закон та істину, симетричність і досконалість Дхарми, мирні зміни. Крилате колесо асоціюється зі швидкістю, колесо колісниці — з правлінням та владою. У греко-римській мітології колесо з шістьма спицями — атрибут Зевса (Юпітера) як небесного бога.

Різновиди коліс[ред.ред. код]

Колесо сучасного автомобіля
Наливне водяне колесо
Гребне колесо (ліворуч) і місце, де воно розташовується на пароплаві (праворуч)
Типовий маховик автомобільного двигуна
Зубчасті колеса у зубчастих передачах

Колесо транспортного засобу[ред.ред. код]

Колесо є основним конструктивним елементом, що забезпечує пересування транспортного засобу (починаючи від старовинного візка, закінчуючи сучасними автомобілями) по твердій поверхні. Колесо може бути ведучим і веденим. У першому випадку колесо виступає рушієм і перетворює механічну енергію від двигуна через приводні вали та механізми у механічну енергію руху транспортного засобу шляхом взаємодії з поверхнею пересування (наприклад, дорожнім покриттям чи поверхню рейки). У другому випадку колесо виконує лише функцію заміни тертя ковзання тертям кочення в умовах руху транспортного засобу.

Крім вказаних функцій, колесо у транспортному засобі може бути керованим і виконувати функцію зміни напряму руху шляхом повертання (з використанням механізму кермування) колеса навколо осі (див. наприклад, шворінь), яка близька до перпендикуляра до поверхні пересування.

Ведені колеса можуть бути жорстко посадженими на вісь і обертатись разом з нею, а якщо їх два на одній осі, то вони утворюють колісну пару, як у залізничних вагонах, а можуть мати нерухому вісь (цапфу) і обертатись навколо неї з використанням підшипників. Ведучі колеса, крім цього повинні сприймати крутний момент від трансмісії через шпонкові, шліцьові чи шарнірні з'єднання для урухомлення транспортного засобу.

Конструктивно колесо транспортного засобу складається з маточини й обода, які сполучені між собою диском або спицями. Зазвичай, на зовнішній частині обода встановлюється шина з еластичного матеріалу (гуми), яка може бути порожнистою і заповненою стисненим повітрям (газом). Важливим елементом шини є вид і стан протектора — конфігурація поверхні шини, що контактує з дорожньою поверхнею.

Водяне колесо[ред.ред. код]

Докладніше: Водяне колесо

Водяне колесо — це механічний пристрій який перетворює енергію потоку води або енергію піднятої води (Гідроенергія), в обертовий рух який може використовуватись в інших механізмах (наприклад, водяних млинах).

Водяне колесо це велике дерев'яне або металеве колесо з лопатями або ковшами на зовнішній поверхні обода. Лопаті (ковші) утворюють рушійну поверхню. Найчастіше, колесо монтується вертикально на горизонтальній осі, але так зване норвезьке колесо встановлюється горизонтально на вертикальній осі. Вертикальні колеса можуть передавати енергію механізмам через вал із зубчастим колесом і, зазвичай, приводні ремені. Горизонтальні колеса здебільшого використовуються для безпосереднього приводу механізмів.

Розрізняють три основні види водяного колеса для перетворення гідроенергії в енергію обертового руху:

Зворотне перетворення застосовувалося в гребних колесах на водних транспортних засобах.

Гребне колесо[ред.ред. код]

Гребне колесо — вид рушія, що використовувався здавна для приведення в рух річкових та морських суден. Має вигляд великого колеса, оснащеного лопатями, зануреними у нижній частині колеса у воду. Гребне колесо за будовою є ідентичним до нижньобійного водяного колеса, з тією різницею, що не вода урухомлює його, а навпаки, колесо використовується для створення руху при взаємодії його лопатей з водою.

Існувало два основні різновиди гребних коліс: кормові, розташовані за кормою судна і бортові, що попарно розташовувались з боків судна.


Махове колесо[ред.ред. код]

Докладніше: Махове колесо

Махове колесо (маховик) — масивна обертова деталь з великим моментом інерції у вигляді диска або колеса, що встановлюється на ведучому валу машини для зменшення нерівномірності його обертання при усталеному русі. Маховик акумулює (нагромаджує) кінетичну енергію в період прискорення руху і віддає її при сповільненні.

Використання махового колеса як в простих конструкціях (гончарний круг), так і в поршневих двигунах, компресорах, насосах та інших машинах забезпечує рівномірність обертання вала. В поршневих двигунах маховик, крім того, дає змогу поршню долати крайні положення («мертві точки»). В інерційних двигунах нагромаджена маховиком енергія використовується для привода транспортного засобу (жиробус).

Зубчасте колесо[ред.ред. код]

Докладніше: Зубчасте колесо

Зубчасте колесо (шестірня, триб)  — основна деталь зубчастої передачі у вигляді диска з зубцями на циліндричній або конічній поверхні, що входять в зачеплення із зубами іншого зубчастого колеса.

У машинобудуванні прийнято мале зубчасте колесо з меншим числом зубів називати шестернею, а велике — колесом. Однак часто усі зубчасті колеса називають шестернями. Зубчасті колеса зазвичай використовуються парами з різним числом зубів з метою перетворення обертального моменту і частоти обертання валів на вході і виході. Колесо, до якого крутний момент підводиться ззовні, називається ведучим, а колесо, з якого крутний момент знімається — веденим. Якщо діаметр ведучого колеса є меншим, то крутний момент веденого колеса є більшим за рахунок пропорційного зменшення швидкості обертання, і навпаки. Відповідно з передавальним відношенням, збільшення крутного моменту викликатиме пропорційне зменшення кутової швидкості обертання веденої шестерні, а їх добуток — механічна потужність — залишиться незмінним, якщо не враховувати втрати на тертя.

Давні й сучасні артефакти колеса[ред.ред. код]

Механіка колеса[ред.ред. код]

Довжина x шляху, який пройде колесо радіусом R при повертанні на кут θ.
Розподіл швидкостей на колесі при його кочення. Точка O — миттєвий центр швидкостей
Рух кочення колеса як сума переносного (обертального навколо геометричної осі C) і поступального (паралельно до площини кочення) рухів
Rp — асиметрична реакція поверхні кочення; N — притискна сила; P — тягнуча сила; сума векторів сил Rp+N+P=0; F_t=-P є силою тертя кочення, що протидіє рухові
P — тягнуча сила; F_t — сила тертя; R — радіус тіла кочення; F_t=P;
Момент тертя M_t=N\cdot f що діє проти годинникової стрілки — гальмує кочення колеса «вправо»; N — зусилля притиску; f — коефіцієнт тертя кочення дорівнює довжині плеча моменту сили N

Розглянемо кочення колеса по площині. Обід колеса і площина кочення будемо вважати абсолютно жорсткими. В цьому випадку обід колеса має контакт з площиною кочення по лінії, яка є нормальною до площини креслення і проходить через точку контакту. У реальних умовах внаслідок неминучих деформацій обода колеса і площини лінія контакту перетворюється у площину контакту.

Геометрія колеса[ред.ред. код]

Геометрія колеса ґрунтується на геометрії кола. Параметри кола наступні:

  • Діаметр D або радіус R. Колеса зазвичай визначаються своїм діаметром, так як він визначає їх максимальний габарит і, отже, є важливим фактором у питаннях величин габаритних розмірів механізмів де вони використовуються.
  • Периметр p. Він відповідає довжині кола по зовнішній поверхні колеса і визначає відстань, яку проходить колесо по площині за один оберт. Периметр залежить від діаметра (радіуса) наступним чином:
{p}=\pi \cdot {D} = 2\pi \cdot {R}

Довжина шляху, який пройде колесо при повороті на кут \theta за відсутності проковзування:

x=\theta \cdot R.

Кінематика колеса[ред.ред. код]

Для випадку, який розглядається, рух колеса можна вважати плоским, тому однією з характеристик цього руху може слугувати миттєвий центр швидкостей. Залежно від умов кочення колеса миттєва вісь обертання і її перетин з пложиною рисунка — миттєвий центр обертання займає різні положення. При розташуванні миттєвого центру обертання в точці О опорна поверхня колеса залишається нерухомою протягом нескінченно малого проміжку часу і абсолютна швидкість точки О обода дорівнює нулю. При розташуванні миттєвої осі обертання нижче від точки О опорна поверхня колеса переміщається по напрямку його поступального руху. Таке переміщення називається проковзуванням. При положенні миттєвої осі обертання вище від точки О опорна поверхня колеса переміщається проти напрямку його руху. Таке переміщення називається буксуванням. Припустимо, що кочення колеса відбувається при відсутності проковзування й буксування, тобто миттєва вісь обертання збігається з опорною лінією в точці О.

Обертання колеса навколо миттєвої осі обертання О с кутовою швидкістю ω можна розкласти на переносний поступальний рух зі швидкістю V, чисельно рівною шляху, що пройде колесо за одиницю часу, і відносний обертальний рух колеса з кутовою швидкістю ω навколо його геометричної осі C. Вектор швидкості точки обода колеса в переносному поступальному русі спрямований в бік руху і паралельний до опорної поверхні; вектор швидкості у відносному русі спрямований убік обертання колеса по дотичній до точки обода і чисельно дорівнює добутку кутової його швидкості ω на радіус R. Результуюча швидкість будь-якої точки колеса визначається геометричним додаванням векторів швидкостей зазначеної точки в переносному і відносному рухах.

У векторному записі для довільної точки на колесі це має наступний вигляд:

 \mathbf{v}= \mathbf{r} \times \mathbf {\omega},

де  \mathbf {r} — радіус-вектор, проведений від точки контакту до заданої точки на колесі;

 \mathbf {\omega} — кутова швидкість обертання колеса.

Динаміка колеса[ред.ред. код]

Докладніше: Тертя кочення

На колесо, що котиться по поверхні діють сили:

\mathbf {P} — тягнуча сила, що прикладена до осі колеса;
\mathbf {N} — сила притискування колеса до поверхні кочення;
\mathbf {R_p} — асиметрична сила реакції поверхні кочення.

Якщо векторна сума цих сил дорівнює нулю, то колесо рухається рівномірно прямолінійно.

 \mathbf {N} + \mathbf {P} + \mathbf {R_p} = 0 \,

Це означає що вертикальна складова сили реакції зрівноважується притискною силою, а горизонтальна складова \mathbf {F_t} зрівноважується тягнучою силою, протидіючи рухові колеса і за аналогією до тертя ковзання називається силою тертя кочення:  \mathbf {F_t} = -\mathbf {P} \,.

Рівномірне кочення означає, також, що сума моментів сил відносно довільної точки дорівнює нулю. З рівноваги моментів сил зображених відносно центру колеса випливає:

F_t \cdot R = N \cdot f

Звідки випливає:

 F_t = \frac f R \cdot N\,

де: F_t — сила тертя кочення;

f — коефіцієнт тертя кочення, одиниці вимірювання метр;
R — радіус колеса;
N — притискна сила колеса до поверхні.

Ця залежність підтверджується експериментально. Для малої швидкості кочення сила тертя кочення не залежить від цієї швидкості. Коли швидкість кочення досягає значень, коли швидкість утворення деформації стає порівняльною із швидкістю поширення деформації в матеріалі, тертя кочення різко зростає і навіть може перевищити тертя ковзання за аналогічних умов.

Використання сьогодні[ред.ред. код]

Сьогодні найчастіше колесо використовується у транспортних засобах — автомобілях, потягах, велосипедах, самокатах, кінних возах, а також як шасі у літаках, гелікоптерах тощо.

Цікаві факти[ред.ред. код]

  • У липні 2001 року на колесо був отриманий інноваційний патент з наступним формулюванням: «круглий пристрій, що застосовується для транспортування вантажів»[6]. Цей патент був виданий Джону Кео, юристу з Мельбурна, який хотів тим самим показати недосконалість австралійського патентного закону.
  • Французька компанія Мішлен в 2009 році розробила придатне до масового випуску автомобільне колесо Active Wheel з вбудованими електродвигунами, що приводять у дію колесо, ресору, амортизатор і гальмо. Таким чином, ці колеса роблять непотрібними такі системи автомобіля: двигун, зчеплення, коробку передач, диференціал, привідний і карданний вал[7]. Ідея мотор-колеса не нова — вона була реалізована ще в кінці XIX століття Фердинандом Порше в Австро-Угорській імперії, проте практичне застосування його зіткнулося з вельми серйозними труднощами, в результаті чого розповсюдження мотор-колеса носить нині вкрай обмежений характер (кар'єрні самоскиди, «Луноход» та інші планетоходи).
  • У 1959 році американець А. Сфредд отримав патент на квадратне колесо. Воно легко йшло по снігу, піску, бруду, долало ями. Всупереч побоюванням, машина на таких колесах не «кульгала» і розвивала швидкість до 60 км/год.
  • У науково-фантастичному оповіданні Пола Андерсона «Трикутне колесо»[8] екіпаж землян здійснив аварійну посадку на планеті, населення якої не використовувало колеса, оскільки все кругле перебувало під релігійною забороною. За сотні кілометрів від місця посадки попередня земна експедиція залишила склад із запасними частинами, але перенести звідти необхідний для корабля двотонний атомний генератор без будь-яких механізмів було неможливо. У результаті землянам вдалося дотримати табу і перевезти генератор, використовуючи котки з перетином у вигляді трикутника Рело.

Колесо у фразеологізмах[1][ред.ред. код]

  • Вставляти (ставити) палиці (палицю) в колеса (в колесо) — перешкоджати, заважати кому-небудь у чомусь.
  • Десята спиця в колесі — той, хто відіграє незначну роль у чомусь.
  • На колесах бути (перебувати) — перебувати в дорозі, їздити з одного місця в інше.
  • Не остання спиця в колесі — який відіграє певну роль у розв'язанні якоїсь справи, займає певне становище в суспільстві.
  • Оглядатися (позирати) на задні колеса — діяти обережно.
  • П'яте колесо до воза (у возі) — який є зайвим, непотрібним (про людину).
  • Думки колесом закрутилися (заходили) — переплуталися думки, зникла ясність у думках.
  • Іти (піти) колесом — про зміну подій у певній послідовності.
  • Лити воду на чиєсь колесо — діяти на чию-небудь користь.
  • Зупинити (повернути назад) колесо історії — зупинити закономірний хід історичного розвитку, вернутися до минулого.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

Джерела[ред.ред. код]

  • Кореняко А. С. Теорія механізмів і машин/ Під ред. М. К. Афанасьєва. — К.: Вища школа: Головне вид-во, 1987. — 206 с.

Посилання[ред.ред. код]

  • «Колесо» у Словнику української мови за ред. Б. Д. Грінченка. т. 1-4. Київ, 1958–1959. Т. 2, С.267.
  • «Wheel» in «Online Etymology Dictionary». (англ.)
  • История колеса на сайті «История ру». (рос.)
  • «Колесо» у Словнику символів. (рос.)