Loading AI tools
це деталь машини, механізму чи пристрою у вигляді кола зі спицями або диска, що обертається навколо своєї осі і забезпечує передавання та п З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Ко́лесо, ко́ло[1] — це деталь машини, механізму чи пристрою у вигляді кола зі спицями або диска, що обертається навколо своєї осі і забезпечує передавання та підтримання руху[2]. 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[3], призначеного для перетворення поступального руху в обертовий і навпаки. Винахід колеса приблизно 6 тисяч років тому був значним кроком у технічному поступі людства. Сьогодні найчастіше колесо використовується у транспортних засобах — автомобілях, поїздах, велосипедах, самокатах, кінних возах, а також як шасі у літаках, вертольотах тощо.
| Колесо | |
.png) | |
| З'єднується з | маточина |
|---|---|
 | |
 Колесо у Вікісховищі | |
Слово колесо походить від д.-рус. колеса — множини слова коло, де суфікс-нарощення -ес- став сприйматися як складова кореня. Споріднене з болг. кола — «віз», словен. kolô, чеськ. kolo, словац. kolo, пол. koło, в.-луж. koleso, н.-луж. kόlaso. Це одне з найдавніших загальнослов'янських слів: прасл. *kolo виводять від пра-і.є. *kwekwlo- і вважають спорідненим з прус. -kelan (у сполученні maluna-kelan — «млинове колесо»), дав.-гр. πόλος — «вісь», ісл. hvel — «колесо», англ. wheel, давн-англ. hvéol — «колесо», грец. πολέω — «рухаюсь довкола», лат. colō — «обробляю, населяю»[4][5].
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.
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. У 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, локомотив у довгому поїзді 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.
Довгий час поширеною була версія, що колесо вперше винайдене шумерами в Межиріччі наприкінці 4 тис. до н. е., звідки й поширилося по Євразії та Північній Африці. Але археологічні знахідки кінця XX ст. свідчать про те, що механізм колеса, швидше за все, був винайдений на території Центральної Європи, а вже звідти потрапив на Близький Схід[джерело?].
Найперші зображення механізму колеса та возів знайдені на території сучасної Польщі, Румунії та в євразійських степах. На думку фінського вченого Аско Парполи, індолога з Гельсінківського університету, існують лінгвістичні причини вважати, що колесо виникло в Трипільській культурі на території сучасної України[6]. Версію про європейське походження колеса висунув у 1990-х німецький вчений А. Хойслер. Про знахідки моделей коліс 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: свідчення існування колеса зустрічаються у поселеннях Зюшен (Німеччина), Броноциці (Польща), рештки возів знайдені наприкінці 1980-х на території Краснодарського краю Росії датуванням серединою 4 тис. до н. е.[7] Найдавніше з відомих коліс знайдене в болоті неподалік від Любляни в 2002 р. і вік його оцінюється в 5150 років[8].
Наступні згадки про колесо зустрічаються у Месопотамії у кінці 4-ого тисячоліття до н. е. Попередниками колеса можна вважати відомий до цього дерев'яний коток, котрий підкладався під вантаж при пересуванні. Початково колесо було дерев'яним диском, настромленим на вісь і зафіксованим 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'являється 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; надалі конструкція колеса не зазнавала особливих змін аж до кінця XIX ст., коли металеві шини були замінені гумовими шинами для амортизації.
Колісного транспорту не знали у цивілізаціях доколумбової Америки, хоча відомо чимало артефактів з коліщатками, які очевидно, були дитячими іграшками. Знайдені на розкопках у Мексиці, деякі з них датуються близько 1 500 р. до н. е.[9]. Припускають, що основною причиною невживання колеса в господарстві стала відсутність у Новому Світі тварин, яких можна було використовувати як упряжних[10].
Також до приходу європейців коліс не знали корінні народи Австралії і південної Африки.
Винахід колеса сприяв розвитку ремесел. Колесо було застосовано в 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.
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. Тягові 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 її профіль (повнопрофільна, низькопрофільна, пневмокоток тощо) та вид і стан протектора — конфігурація рельєфу поверхні шини, що контактує з дорожньою поверхнею.
Дерев'яні колеса можуть бути у вигляді суцільних дисків (найбільш архаїчні) і класичної конструкції — з маточиною, ободом і спицями. В українських возах використовувалися тільки колеса з гнутими ободами, які згинали навколо круглих стовпців (так званих пеньків)[11]. По центрі пенька була скоба (вухо), у яку вставляли кінець довгого важеля, прави́ла (яке називалося повідня)[12] Розпарену заготовку обода кріпили нерухомо одним кінцем до пенька збоку, а другим за допомогою мотузки чи жердини з гаком (кужби)[13] прив'язували до повідні. Повертаючи вручну чи за допомогою упряжних тварин повідню з прикріпленою до неї заготовкою, поступово згинали майбутній о́бід навколо пенька в кільце. Кінці обода («заворотичі») з'єднували разом, спицями до нього кріпили маточину («колодку», «голову»), а на зовнішню поверхню натягали шину — сталевий обруч, прибиваючи її шиналями — спеціальними цвяхами[14], і додатково укріпляли 4-5 вірвантами («урвантами»)[15][16] — металевими скобами, прибитими цвяхами — заволічками (лютами)[17][18]. Колесо надівали на кінець осі, («рукав») і фіксували загвіздком[19] — дерев'яною чи металевою чекою. Для зменшення тертя втулку маточини і кінець осі змащували коломаззю. Зараз виробництво дерев'яних коліс механізоване, маточини виконують металевими, спорядженими звичайними вальницями.
Майстрів, що виробляли колеса, називали стельмахами, колодіями, колісниками.
Колеса, використовувані в залізничному транспорті, виготовляють у вигляді колісних пар — сталевих дисків, з'єднаних сталевою віссю. Залежно від конструкції розрізняють цільні й бандажні колеса.
Цільне колесо виготовляється з однієї заготовки й має три основні конструкційні елементи: диск, маточину й обід. Диск з'єднує маточину з ободом, маточина призначена для з'єднання колеса з віссю, а споряджений ребордою обід безпосередньо контактує з рейкою. Залежно від способу виготовлення виділяють цільнокатані (оброблювані на прокатних станах) і цільнолиті колеса. Бандажне колесо складається з двох окремих деталей: диска і надітого на нього бандажу. Диски зазвичай виготовляють литими, бандажі — куванням, штампуванням або вальцюванням.
Характерною рисою залізничного колеса є його профіль у формі зрізаного конуса, який забезпечує необхідне для повороту диференціювання зовнішніх і внутрішніх коліс: при повороті внутрішні колеса котяться по рейці ділянкою меншого діаметру, отже, проходять при однаковому із зовнішніми колесами числом обертів (що неминуче при використовуванні колісної пари, в якої відсутній диференціал) менший шлях. Зміщення залізничного колеса від серединного положення до ділянки найбільшого чи найменшого діаметру становить близько 3 см.
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, водяних лісопильнях).
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 привода механізмів.
Розрізняють три основні види водяного колеса для перетворення гідроенергії в енергію обертового руху:
Водяні колеса є складовою піднімних пристроїв — норій, чигирів.
Зворотне перетворення застосовувалося в гребних колесах на водних транспортних засобах.
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.
Ступальне колесо — ходове колесо з внутрішніми сходами, що розташовані на дерев'яному валу. Застосовувалося як привод у різноманітних машинах до появи парових й електричних двигунів.
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 (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 до передавального відношення, збільшення крутного моменту викликатиме пропорційне зменшення кутової швидкості обертання веденої шестерні, а їх добуток — механічна потужність — залишиться незмінним, якщо не враховувати втрати на тертя.
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 ґрунтується на геометрії кола. Параметри кола такі:
Довжина шляху, який пройде колесо при повороті на кут за відсутності проковзування:
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 площиною 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 такий вигляд:
де — радіус-вектор, проведений від точки контакту до заданої точки на колесі;
На колесо, що котиться по поверхні діють сили:
Якщо векторна сума цих сил дорівнює нулю, то колесо рухається рівномірно прямолінійно.
Це означає що вертикальна складова сили реакції зрівноважується притискною силою, а горизонтальна складова зрівноважує тягнучу силу, роблячи спротив рухові колеса і за аналогією до тертя ковзання називається силою тертя кочення: .
Рівномірне кочення означає, також, що сума моментів сил відносно довільної точки дорівнює нулю. З рівноваги моментів сил зображених відносно центру колеса випливає:
Звідки випливає:
де: — сила тертя кочення;
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.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
