Колело

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене
Емблема за пояснителна страница Тази статия е за механичния елемент. За транспортното средство вижте Велосипед.

Изображение на кола с колела от Месопотамия, 2 400 - 2 600 години пр. Хр., Британски музей, Лондон
Първите колела са изработвани от цяло парче дърво.


Колелото е свободно въртящ се механичен елемент с формата на кръг, изграден от плътен материал като диск или от отделни конструктивни елементи. Обикновено се закрепва към ос, така че да може да се върти около нея. Колелото намира широко приложение в различни области на техниката. Обичаен пример за употребата на колела са повечето транспортни средства, при които търкалящото се колело се използва за намаляване на триенето между транспортното средство и повърхността, по която се движи.

История[редактиране | редактиране на кода]

Египетска колесница
Колело за древна кола от 2 000 пр. Хр., Национален музей на Иран, Техеран

Повечето изследователи смятат колелото за едно от най-старите и най-важните технически изобретения в историята на човечеството. Най-стари сведения за използване на колело са от Месопотамия през 5 хилядолетие пр.н.е. - първоначално като грънчарско колело. Предполага се, че предшественик на колелото в областта на транспорта са цилиндрични дървени трупи, поставяни под товара за по-лесното му преместване. Най-старото изображение на устройство, наподобяващо колесно транспортно средство, е върху Броноцицкото гърне, открито в днешна Полша и датирано към средата на 4 хилядолетие пр.н.е.[1][2]

Колелото се разпространява в Близкия изток и Европа през 4 хилядолетие пр.н.е. и достига до Индия през 3 хилядолетие пр.н.е. През 2 хилядолетие пр.н.е. колесниците с олекотени колела със спици предизвикват революция във военното дело в Близкия изток. Около 1200 година пр.н.е. те вече се използват и в Китай, което свидетелства за разпространението на колелото и в тази част на Стария свят по това време,[3] а според някои изследователи дори в началото на хилядолетието.

Известни са египетските и гръцките колесници, които символизират мощ и слава. С римски колесници са провеждани гладиаторски боеве и надбягвания, а древните траки са погребвали колесници заедно с владетелите си. Така средствата за бързо и лесно придвижване благодарение на колелото стават символ и средство на войната, а така също и символ на успеха и високото положение в обществото.

Традиционна селска каруца в Сардиния

Колелото постепенно прониква от Египет във вътрешността на Африка. През ранната Античност в Нубия са използвани грънчарски колела, както и водни колела за изпомпване на вода,[4][5] вероятно задвижвани от волове.[6] Известно е също, че нубийците използват теглени от коне колесници, внасяни от Египет.[7]

Въпреки няколко хилядолетното използване на колелото в района на Европа и Азия, коренното население на Субсахарска Африка, Австралия и Америка до идването на европейците не е познавало и ползвало транспортни средства с колела. Това се обяснява с факта, че основните преимущества на колелото се реализират едва с опитомяването на коня, отсъстващ от тези части на света. При олмеките и някои други групи са открити подобни на колела предмети от средата на 2 хилядолетие пр.н.е., но това вероятно са детски играчки.[8]

Разпространението на колелото в по-голямата част от Стария свят става няколко хилядолетия след появата на земеделието. То се отнася към късния неолит, период, от който водят началото си и други технически нововъведения в навечерието на бронзовата епоха. Широката употреба на колесните транспортни средства е забавена и от отсъствието на подходящи пътища за тях. В местности с много препятствия пренасянето на продукти от хора и животни дълго време остава предпочитаният начин на транспорт. В някои райони липсата на пътища е пречка за колесния транспорт дори през 20 век.

Първите колела са прости дървени дискове с отвор за оста в средата. Колелата със спици са изобретени по-късно и дават възможност за конструирането на по-леки и бързи превозни средства. Най-ранните известни примери за такива колела са от Андроновската култура в началото на 2 хилядолетие пр.н.е. Малко по-късно конните култури в района на Кавказ започват да използват теглени от коне колесници с колела със спици. През 1 хилядолетие пр.н.е. келтите започват да поставят желязна шина по ръба на колелото. Този вид колело остава най-широко използваният до края на 19 век, когато са изобретени пневматичните гумени колела.[9]

Механика[редактиране | редактиране на кода]

При преместване на един товар с плъзгане силата на триене е значителна и е насочена в посока обратна на посоката на преместване. Освен това силата на теглото на премествания обект почти пропорционално увеличава силата на триене, което изисква големи усилия за преодоляване на тези две съставки, противодействащи на преместването. Въртенето на колелото около ос значително намалява енергията, с която трябва да се осъществи преместването на товара, поради големите различия при силите, действащи при плъзгане и търкаляне (въртене). Това налага колелото като основен механизъм в редица области от техниката. Работата върху усъвършенстването му не спира и до днес.

Ос, главина, дървени спици и наплати, мет. шина и плътен гумен бандаж. Типично колело за автомобили и военна техника от началото на ХХ век

Геометрия[редактиране | редактиране на кода]

Геометрията на колелото се основава на геометрията на окръжността. Параметрите на окръжността са:

  • Диаметър (D). Диаметърът на колелото определя неговия максимален габарит и това е важен геометричен показател, не само по отношение на заемания обем, но и когато при свързването с други колела в един механизъм определя предавателното отношение на движението.
  • Радиус (r). Това е параметъра определящ разстоянието от коя да е точка от окръжността на колелото до неговата ос. Математическата връзка между диаметъра и радиуса е D=2r.
  • Периметър (p). Тава е разстоянието, което преминава колелото в една равнинна плоскост за един оборот при въртене. За едно колело на превозно средство, пътят изминат от превозното средство се определя от диаметъра на колелото, съответния периметър на колелото и броя на оборотите. Математическото изражение на тази зависимости е

По-общата математическа зависимост е :

, където:
  • — изминатия път (разстояние);
  • — ъгъл на завъртане на колелото в радиани (или кратен брой завъртания по );
  • r — радиус на колелото.

Кръгово движение[редактиране | редактиране на кода]

Графическо изображение на скоростта в системата на осите на колелото, включващо точката на допиране със земята и центъра на колелото. Скоростта е равна на нула в точката на контакт и нараства линейно с увеличаване на радиуса: v = ωxr.
Анимация за циклоида

Задачата за праволинейното равномерно движение е еквивалентна на задачата за въртенето. Променливите: разстояние, скорост и ускорение са еквивалентни на променливите: ъгъл, ъглова скорост и ъглово ускорение. Трите са свързани:

  • Ъгъл на завъртане:
  • Ъглова скорост:
  • Ъглово ускорение:

Като обобщим трите се вижда:

  • От лявата страна са ъгловите еквиваленти (ъгъл, ъглова скорост, ъглово ускорение)
  • От дясната страна са линейните еквиваленти (разстояние, линейна скорост, линейно ускорение) разделени на радиуса r

Трите съотношения се извеждат от геометрията на колелото, където дължината на дъгата на окръжността зависи от ъгъла на завъртане в радиани, умножен по радиуса на окръжността, при което при един оборот на колелото то преминава разстояние, равно на периметъра си, което съответно отговаря на ъгъл на завъртане 2π в радиани. Ускорението, което е предизвикано от изменението на посоката на скоростта, може да се намери като се отбележи, че скоростта прави пълно изменение на направлението за време T, за което обекта прави един оборот. Тогава векторът на скоростта преминава път с дължина 2πv на всеки T секунди:

Където:

  • ac — ускорение (винаги е насочено към центъра на колелото)
  •  — Ъглова скорост на колелото
  • r — радиус на окръжността, където се намира разглежданата точка.

При движението си върху равна повърхност всяка точка от външната му периферия описва циклоида.

Конструкция[редактиране | редактиране на кода]

Независимо от разнообразието на приложението си, колелата имат сходна конструкция. Основни елементи са:

Главина[редактиране | редактиране на кода]

Главината е центъра на колелото и обикновено съдържа лагера и там се събират спиците. Там се намира и оста. Има и вариант на колелото, който може да бъде изпълнен без главина. Това колело е известно като безцентрово или задвижвано по периферията. Понякога главината е почти толкова голяма, колкото е колелото.

Автомобилни джанти с телени спици

Спици[редактиране | редактиране на кода]

Спицата е радиално разположен механичен елемент в колело, което свързва главината му с кръглата конструкция на колелото (наплат, капла, метална профилна шина за монтиране на гума, водно колело и др.). Създаването на колела със спици прави конструкцията на колелото много по-лека. Различават се два вида спици - работещи на радиален натиск и работещи на опън.

Венец[редактиране | редактиране на кода]

Външната кръгова част на колелото или джантата (на автомобилното колело) (английски:), наплати и метални шини при дървените колела, или металния профил върху който се монтира гумата на транспортните средства. При друг вид колела като водното, зъбното, Виенското и други, се прави конструкция в зависимост от предназначението им.

Гума[редактиране | редактиране на кода]

Гумата е пръстеновидно покритие на джантата, което я защитава и подобрява всестранно движението на транспортните средства чрез омекотяване на окачването, абсорбиране на ударите и вибрациите, като в същото време осигурява постоянен контакт с пътя. Основните материали, използвани за производството на гуми, са синтетичен каучук, естествен каучук, тъкани и телове за укрепване, както и други добавки. Състоят се от триеща повърхност и тяло. Триещата повърхност осигурява сцеплението на колелото, а тялото поддръжката на гумата. Преди изобретяването на каучука първите версии са обикновени метални шини около дървените колела, които предотвратяват износването им. Днес основната част от гумите са пневматични надуваеми структури с формата на поничка и с тел и корда, вградени в каучука. Пневматичните гуми се използват в много транспортни средства като автомобили, велосипеди, камиони, самолети и други. Параметрите на гумите, както и качеството на изработка са основен фактор за надеждността на движение на превозното средство като движение при сняг, дъжд, лоши пътища, високи скорости, както и за намаляване на риска при аквапланинг, рязко спиране и други.

Видове колела[редактиране | редактиране на кода]

Техническо обслужване на самолетен колесник
  • Дървено колело. Изработва се изцяло от дърво или с дървени елементи-главина, спици, наплати и метална шина. То е характерно за каруците и колите задвижвани от животински впряг, както и за транспортните средства, създавани през XIX и първите десетина години на XX век.
  • Автомобилно колело. Започнало с познатото дървено колело, то се развива основно в няколко сродни конструкции — като колело с или без главина, но с възможност да се монтира на главината на автомобилните мостове, с дървени спици, със спици от стоманена тел, със спици отливани едновременно с цялата конструкция на колелото или изработено от плътен материал. Автомобилното колело се нарича още джанта и в развитието си върху джантата отначало е поставян плътен гумен бандаж, а по-късно пневматична автомобилна гума. С подобна конструкция са и колелата на други транспортни средства - ремаркета, трактори, самолети, селскостопанска техника, с тази разлика, че за много големите габарити на колелото са разработени специални разглобяеми джанти.
  • Мотоциклетно и велосипедно колело. Характерно е изпълнението му с капла, главина, спици от стоманена тел (или отливка при модерните съвременни мотоциклети) и метален профил за монтаж на гумата.
Зъбна предавка
  • Зъбно колело. Това е колело с нарязани зъби по периферията си със специален профил за предаване на въртящ момент на друго зъбно колело, като задвижваща част от някакъв механизъм. Има и така наречени верижни зъбни колела, които се задвижват от верига (както при велосипедите) и зъбно-ремъчни колела, при които задвижването се осъществява чрез зъбен ремък, както е реализирана ангренажната предавка за задвижване на разпределителния вал при съвременните автомобили. Зъбните колела са основна част в механичните часовници както и в много машини за механична обработка и монтаж.
Локомотивно колело
  • Водно колело. С този термин се означава колело задвижвано от водна сила. Използва се привеждане в движение на мелници, тепавици, маломощни електрически генератори. Като двигател силно вече е ограничено използването му. Това понятие се използва и при задвижването на лодки (чрез човешка мускулна сила и повече приличащи на воден велосипед, при задвижването на речни кораби с малко газене в плитки речни води.
  • Железопътно колело. Конструкцията му се отличава от разгледаните досега колела. Построени са изцяло от метал и са плътни (за вагоните) или със спици и противотежести (за локомотива). Монтирани са по двойка на една обща ос, наричана още колоос.
Виенско колело на Октоберфест в Германия
  • Виенско колело. Това е голямо съоръжение, притежаващо трите характерни основни елементи на колелото в конструкцията си. Монтира се и се използва в увеселителни паркове.
  • Маховик. Това е колело със значителна маса в периферията си, което монтирано към двигател или механизъм от някаква машинна конструкция, намалява неравномерността при въртене и чрез съхранената кинетична енергия преодолява кратковременни натоварвания.
  • Колелото на живота няма материален еквивалент. В преносен смисъл този термин се използва, като свойство за нещо, което се движи. Известно е изографисаното от Захари Зограф "Колело на живота" - този вечен кръговрат, това вечно повтаряемо "движение" - раждане, възмъжаване, смърт.
  • Огнено колело (немски Feuerrad) е обичай, традиционен за някои райони на Швейцария, Австрия и Германия по време на карнавали или религиозни празници. По този начин се прогонва зимата и измолва плодородие. Предполага се, че е остатък от езически празници от миналото. Прави се голяма конструкция на колело пълно със слама , след което то се пали и спуска от високо.
Фолкъркското колело в Шотландия, свързващо два канала на различна височина.
  • Фолкъркското колело представлява модерно съоръжение, което свързва два плавателни канала, намиращи се на различни височини.

Колелото позволява плавателни лодки да се прехвърлят между двете нива.

  • wheel spider или паяк колело е паяк от Южна Африка (Carparachne aureoflava)..[10] Паякът избягва преследването от паразитиращите оси, които го преследват, като се свива подобно на колело и се спуска по дюните със скорост 44 оборота за секунда, постигайки скорост от 1 метър за секунда.[11][12]

Двигателно колело[редактиране | редактиране на кода]

Lohner-Porsche 1900 година — Първият в света хибриден автомобил. В конструкцията на автомобила са използвани електрически двигателни колела

Двигателното колело представлява агрегат, в който са обединени колелото и вградените в него задвижващ двигател (обикновено електродвигател), силова предавка и спирачна система. Първият подобен автомобил е разработеният от Фердинанд Порше автомобил Lohner-Porsche, както и по-късно разработеният през 1920 година мотоциклет Megola, при който се използва ротационен двигател с вътрешно горене.

Тези колела намират все по-голямо приложение в новите електрически превозни средства, като на първо място това са електрически велосипеди, различни прототипи на електроавтомобили, както и градски автобуси [13]

Колелото като акумулатор на енергия[редактиране | редактиране на кода]

Маховик

Устройствата за съхранение на енергия чрез използване на маховик функционират по следния начин: даден ротор (колело с голяма маса) и с голям инерционен момент се развърта и ускорява до много висока скорост от външен енергиен източник и в него се запасява дадено количество кинетична енергия, която след отстраняването на външния източник може да се отдаде обратно. Запасената кинетична енергия може да се използва чрез забавяне на ротора например от [електрически генератор] свързан към ротора и поддържащ даден товар.

Енергията запасена в ротора е пропорционална на инерциония момент на последния и на квадрата на скоростта на въртене:

където

е ъгловата скорост, и
е инерционния момент на масите спрямо оста на въртене.

Маховикът е машинен елемент, служещ за намаляване неравномерността при въртене и един от най-ранните акумулатори на енергия. Принципът му на действие се състои в съхраняване на необходимата кинетична енергия през работния процес. Например, при двигател с вътрешно горене това е енергията, необходима за въртене на коляновия вал при подготвителните тактове. Маховикът осигурява възможността на двигателя да преодолява кратковременни претоварвания, както и неравномерността от наличието на само един работен (задвижващ) такт при четиритактовия двигател.

Маховикът представлява масивен чугунен диск със значително удебеляване в периферията (венеца). При двигателите с вътрешно горене, върху периферията му е запресован зъбен венец за въртене на коляновия вал от пусков двигател (стартер, пусков мотор).

В съвременни условия се разработват модерни механични устройства за възстановяване на механичната кинетична енергия на моторните превозни средства (KERS). За направата на по-усъвършенствани маховици се използват влакна от карбон, при които първите могат да се въртят със скорости от 20 000 до 100 000 об./мин. във вакуум. В този случай е необходимо използването на магнитни лагери, тъй като при нормалните лагери триенето е правопропорционално на скоростта на въртене и при такива скорости, много енергия ще бъде загубена от триене. Реално подобни устройства са използвани във Формула 1. Предимството им е че могат бърза да се развъртят до високи обороти и бързо да отдадат тази енергия обратно.

През 1955 година в Швейцария започва използването на автобуси задвижвани от маховици, наричани още жиробуси. Започва изследване за направата на по-малки, по-леки и по-евтини системи и с по-голям енергиен капацитет. Тези автобуси не успяват да се наложат, но реално се експлоатират тролейбуси, които използват като допълнителен агрегат за придвижване на кратки разстояния подобни устройства. Има данни, че някои от тези тролейбуси са попаднали в България.

Жироскопът е симетрично твърдо тяло, най-често диск (колело), който се върти с голяма ъглова скорост около оста си на симетрия. Основното му свойство е, че оста му се стреми да запази първоначалното си направление в пространството. Поради това се използва най-често за навигация в плавателни съдове и в авиацията за стабилизиране и поддържане на курса чрез така наречения жироскопичен компас.

Спорт[редактиране | редактиране на кода]

Rhönrad на леда

Гимнастика на колело (немски: Rhönradturnen) е вид гимнастика, която първоначално е развита в Германия.

Гимнастиката на колело се изпълнява на голямо колело, известно като Rhönrad, гимнастическо колело, или Немско колело. Състои се от две колелета с диаметър от 130 до 245 cm паралелно едно към друго и свързани с 6 напречни щанги. Тежат между 40 и 60 kg. Първият международен турнир е проведен през 1930 година. От 1995 година се провеждат световни шампионати по този спорт.

Космос[редактиране | редактиране на кода]

Колонизацията на космоса е концепция за живот на хората извън пределите на Земята. Това е основна тема на футурологията, но в същото време дългосрочна перспектива на много национални програми за овладяване на космоса. Крайната цел е създаването на големи космически кораби, които могат да достигнат до други планети. Една такава идея е построяването на огромна тръба, подобно на гигантско колело в космоса, при въртенето на което да се създава изкуствена тежест и създадат всички нормални условия на живот на много хора. Там може да се създаде напълно балансирана екосистема, която да осигурява кислород, храна и приятна околна среда.

Други значения[редактиране | редактиране на кода]

  • В индуизма, джайнизма, будизма колелото има голямо символично значение като духовна метафора. На санскрит колело се нарича чакра и има смисъл и на енергийни точки на тялото.[14] Чакрите, в хиндуизма, в будизма, в йога, както и в някои езотерични учения се означават предполагаемите енергийни центрове между физичното тяло и тънкото тяло на човека. Те са свързани с енергийните канали. От общо 88 хиляди чакри в тялото на човека според някои учения седем са принципно важни и се наричат главни чакри.
  • Дармачакра (санскрит: धर्मचक्र; пали: даммачакра; тибетски: འཀོར་ལོ། (chos kyi 'khor lo)), букв. „Колелото на Дхарма“ или „Колелото на закона“ е символ, представящ дхарма, което е учението на пътя към просветление на Буда, водещ началото си от ранният период на индийският будизъм. Подобен символ е също използван и в джайнизма.
  • Някои телевизионни игри използват така наречено "колело на късмета", което служи за въвеждане на елемент на случайност в тях. Такива са например българското предаване "Аз обичам България" и съветското и руско предаване Поле чудес (телеигра), която се явява аналог на американското Wheel of Fortune (U.S. game show)

Във Вексилологията и Хералдиката[редактиране | редактиране на кода]

Колелото се явява важна фигура във флага и емблемата на съвременна Индия. В този случай то символизира закона (дхарма). Колелото е поставено на знамето на циганите, като символизира чергарския им живот и индийските им корени. То присъства на емблемата на Монголия като в този случай се свързва с будизма. На знамената на Ангола, Виетнам, Буркина Фасо през 1984—1997 години и Италия са включени зъбно колело или част от него.

В литературата[редактиране | редактиране на кода]

  • През 1971 година Артър Хейли издава романа Колела.
  • Писателят Йордан Йовков в разказа Песента на колелетата, който дава името на сборника разкази от 1927 година, описва майстора на каруци Сали Яшар, който настройва "...звуковете, които щеше да издава тая каруца, песента, която щяха да пеят колелетата й".

Интересни факти[редактиране | редактиране на кода]

  • През 2001 година австралиецът Джон Кео, за да докаже несъвършенството на австралийския закон за патентно право патентова "кръгло устройство, използвано за транспортиране на товари". За това постижение, той и австралийската патентна служба получават анти-нобеловата награда за технология през 2001 година.

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. Waza z Bronocic (in Polish)
  2. Anthony, David A.. The horse, the wheel, and language: how Bronze-Age riders from the Eurasian steppes shaped the modern world. Princeton, N.J, Princeton University Press, 2007. ISBN 0-691-05887-3. с. 67.
  3. Dyer, Gwynne, War: the new edition, p. 159: Vintage Canada Edition, Randomhouse of Canada, Toronto, ON
  4. CRAFTS; Uncovering Treasures of Ancient Nubia; New York Times
  5. [http://wysinger.homestead.com/kush.html Ancient Sudan: (aka Kush & Nubia) City of Meroe (4th B.C. to 325 A.D.)]
  6. What the Nubians Ate
  7. The Cambridge History of Africa
  8. Ekholm, Gordon F. Wheeled Toys in Mexico. // American Antiquity 11. 1945.
  9. bookrags.com - Wheel and axle
  10. Carparachne aureoflava. // ZipcodeZoo.com. BayScience Foundation, Inc., 2008-08-13. Посетен на 2009-01-21.
  11. The Desert is Alive. // Living Desert Adventures. 2008. Посетен на 2009-01-21.
  12. Armstrong, S.. Fog, wind and heat - life in the Namib desert. // New Scientist (1725). 14 July 1990.
  13. Wheel Motors to Drive Dutch Buses. // Technology Review, 23 March 2009. Посетен на 23 November 2009.
  14. Encyclopedia of Indo-European culture. 1. publ.. London, Fitzroy Dearborn, 1997. ISBN 978-1-884964-98-5. с. 640.