Колесо

Колесо́ — движитель, свободно вращающийся или закреплённый на вращающейся оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить.

Колёса широко применяются для транспортировки людей и грузов, в различных транспортных средствах (к ним некоторые применяют словосочетание с колёсным ходом, с колёсным движителемГлава II, Федеральный закон Российской Федерации № 40-ФЗ «Об обязательном страховании гражданской ответственности владельцев транспортных средств», от 25 апреля 2002 года), повсеместно используются в различных механизмах и инструментах.

Этимология Слово «колесо» произошло от общеславянского *kolo (род. п. *kolese) и далее восходит к праиндоевропейскому корню *kʷel- со значением «вращаться, поворачиваться»Черных П. Я. Историко-этимологический словарь современного русского языка: в 2 т. — 3-е изд., стереотип. — М.: Рус. яз., 1999. Т. 1. С. 411.. Говорящие на праиндоевропейском языке не заимствовали название, а придумали собственное для обозначения колеса, отчего в языках индоевропейских народов, географически далёких друг от друга, когнаты обозначения колеса едины.

От слова «колесо» образовано слово «колесница».

История

В представительной подборке древнейших находок колес Ханс Дж. Хольм (2019) показывает, что развитие колесной технологии происходило на протяжении веков начиная с простейших игрушечных моделейHans J.J.G. Holm: The Earliest Wheel Finds, Their Archeology and Indo-European Terminology in Time and Space, and Early Migrations around the Caucasus. Archaeolingua Alapítvány, Budapest, 2019, ISBN 978-615-5766-30-5. Например, в 1981 году румынский археолог М. Дину сообщил о находках глиняных колёс на игрушечных повозках в поселениях Кукутени, которые он приблизительно датировал второй половиной 5-го тысячелетия до нашей эры. В Цюшенской камерной гробнице (вартбергская культура) на мегалитической плите середины 4 тыс. до н. э. были найдены гравировки, схематически изображающие волов, запряжённых в повозку«Российское открытие»: Колесо изобрели не на Востоке // МК, 16.06.2011.

Керамический горшок из польского Броночице со схематическим изображением, напоминающим четырёхколёсную повозку, относится к культуре воронковидных кубков и датируется возрастом 3635—3370 лет до нашей эры.

Следующие по времени модели колёс были обнаружены археологами А. Д. Резепкиным в погребениях майкопской культуры (Пхагугапе, Пшикуйхабль, Чишхо) на Северном Кавказе и А. В. Кондрашовым в погребении новосвободненской культуры в Краснодарском крае (середина IV тысячелетия до н. э.)Кондрашов A.B., Резепкин А. Д. Новосвободненское погребение с повозкой // КСИА. 1988. Вып. 193..

В Люблянском барье в Словении нашли сделанное из ясеня (диаметром 72 см), возраст которого превышает пять тысяч лет (3350—3100 лет до н. э.). Модели четырёхколёсных повозок, сделанные из глины, были найдены в двух погребениях поздней баденской культуры в Будакаласе и Сигетсентмартоне (Восточная Венгрия), которые датируются 3300—3100 годами до н. э. На поселении хоргенской культуры в Прессехаусе (Швейцария) было найдено колесо с квадратным отверстием для крепления оси, которая вращалась вместе с колёсами. Методом дендрохронологии оно датируется 3200 годом до н. э. В отличие от находок в Швейцарии и Германии, в степном регионе, а также в Нидерландах и Дании отверстия в колёсах были круглыми, ось крепилась к корпусу повозки, а это значит, что различные европейские традиции изготовления повозок возникли ещё до 3200 года до н. э.

В степной полосе от реки Дунай на западе до верховьев реки Маныч на востоке насчитывается примерно 160 погребений ямной культуры с остатками колёсного транспорта (колёс, возов), а также их глиняные модели и остатки рисунков. Древнейшие из находок датируются по калиброванной шкале XXXII веком до н. э.Кульбака В., Качур В. Індоєвропейські племена епохи палеометалу. — Маріуполь: Рената, 2000. — 80 с.

Следующие упоминания о колесе встречаются в Древней Месопотамии (изображение повозки в Урук-5) в конце IV тысячелетия до н. э.

Таким образом, всё больше материальных доказательств говорят в пользу того, что «самое первое» колесо появилось не на Ближнем Востоке, как было принято считать ранее, а в ЕвропеРезепкин А. Д. Проблема происхождения колесного транспорта и его появления на Северном Кавказе // Четвёртая Кубанская археологическая конференция. Тезисы и доклады. Краснодар. 2005..

В дмитровском кургане № 6 в Запорожской области (Украина) у входа в погребальную камеру была найдена деревянная повозка катакомбной культуры с целиком сохранившимся колесом возрастом 5 тысяч лет.

Двухколёсная повозка с сохранившимся колесом диаметром 0,6 м известна из катакомбного погребения «Тягунова Могила» (ок. 5 тыс. л. н.) в запорожском селе МарьевкаЧередниченко Н. Н., Пустовалов С. Ж. Боевые колесницы и колесничие в обществе катакомбной культуры (по материалам раскопок в нижнем Поднепровье) // Советская археология, 1991, № 1, стр. 206—216.. Оба колеса двухколёсной деревянной арбы из Сторожевой могилы ямной культуры под Днепром (III тысячелетие до н. э.) были сделаны из сплошного куска дерева, рассечённого продольно, с круглыми отверстиями для оси и толстыми ступицамиТретьяков Н. Н., Монгайт А. Л. (ред.) Очерки истории СССР — М.: Академия наук СССР, 1956. — 633 c..

Предшественником колеса можно считать известный до этого деревянный каток, который подкладывался под перемещаемый волоком груз. Первоначально колесо представляло собой деревянный диск, насаженный на ось и зафиксированный клином. Изображения салазок с колёсиками (3000 г. до н. э.) найдены в Месопотамии в шумерском городе Урук. К 2700 году до н. э. там же появляются рисунки повозок. В это же время шумеры начинают хоронить своих царей вместе с колесницами. Эти погребения найдены в Кише, Уре, в эламском городе Сузы.

Четырёхколёсная повозка из погребального комплекса Улан IV западноманычской катакомбной культуры в Ростовской области была изготовлена в XXIII веке до нашей эрыShishlina N. I., Kovalev D. S., Ibragimova E. R. Catacomb culture wagons of the Eurasian steppes, 2015. Д. Энтони и Виноградов (1995) датировали колесницу классического типа в захоронении синташтинской культуры в районе Кривого озера (Челябинская область) 2026 годом до н. э.

Во II тысячелетии до н. э., конструкция колеса совершенствуется: на Южном Урале появляется колесо со спицами, в Малой Азии — со ступицей и гнутым ободом. Позднее, в 1-м тысячелетии до н. э., кельты для увеличения прочности колёс своих колесниц стали применять металлический обод, который в промышленную эпоху в большинстве транспортных машин был заменён резиновыми шинами для амортизации.

Несмотря на то, что колесо считается неизвестным среди цивилизаций доколумбовой Америки, некоторые народы, например инки, вплотную приблизились к его открытию. Использование для строительства характерных устройств катка — цилиндрического массивного тела для утрамбовки грунта, говорит об отказе от применения колеса в транспорте, а не об отсутствии открытия принципа колеса. Некоторые культуры (например, ольмеки) изготовляли керамические и деревянные фигурки животных на колёсиках — возможно, они выполняли ритуальные функции, а возможно, были просто игрушками. Исходя из этого, можно предположить, что и первое колесо появилось в качестве игрушки.

До прихода европейцев колеса не знали также коренные народы Австралии и южной Африки.

Изобретение колеса способствовало развитию множества ремёсел. Колесо было применено в гончарном круге, мельнице, прялке, токарном станке. В ирригационных сооружениях, на мануфактурных фабриках, рудниках и т. п. применялись водяные колёса.

Изобретение колеса дало толчок к развитию науки в целом. Так, оно применяется в астролябии и других научных инструментах. В механике широко используется зубчатое колесо.

Важное значение колеса в хозяйственной сфере отразилось в его метафорическом обожествлении в виде «Вечного возвращения», реинкарнации и т. д. В различных культурах колесо является символом движения солнца, в буддизме оно символизирует закон и истину, симметрию и совершенство Дхармы, мирные перемены. Крылатое колесо ассоциируется со скоростью, колесо колесницы — с правлением и властью. В древнегреческой и древнеримской мифологии колесо с шестью спицами — атрибут Зевса (Юпитера) как небесного бога.

Механика Колесо существенно уменьшает затраты энергии на перемещение груза по относительно ровной поверхности. При использовании колеса работа совершается против силы трения качения, которая в искусственных условиях дорог существенно меньше, чем сила трения скольжения.

Основные кинематические и динамические отношения между разными частями колеса выводятся из рассмотрения его как твёрдого тела, и определяются исходя из геометрических свойств, начальных условий, условий эксплуатации и прочего. Колесо считается простейшим механизмом, когда оно насажено на зафиксированную или вращающуюся ось, которая проходит через его центр. Часто колесо устанавливается с целью обеспечить перемещение, в этом случае оно является частью транспортного средства, обеспечивая движение с большой эффективностью. Если ось соединена с двумя колёсами, то вращение колёс происходит так, как если бы они были одним телом.

Колёсная ось является одним из шести простейших механизмов. Она позволяет получить , путём увеличения приложенной силы за счёт крутящего момента. Суть в том, что сцепление механизма с землёй происходит только по подошве колёс, они выполняют роль поддерживающей системы для транспортного средства, что уменьшает потери энергии, несмотря на такие недостатки, как эластичность колёс и потери момента в подшипниках. При использовании колёс для различных транспортных средств также необходимо обеспечивать необходимое сцепление их с землёй, что может быть достигнуто применением рифлёных колёс.

Геометрия колеса Геометрия колеса основана на геометрии окружности. Параметры окружности следующие: Диаметр. Колёса обычно определяются своим диаметром, так как это определяет их максимальный габарит и, следовательно, является весьма серьёзным ограничивающим фактором в связи с вопросом занимаемого объёма в том или ином механизме. Периметр. Это расстояние, которое проходит колесо по плоскости за один оборот. Таким образом, расстояние, пройденное за заданное число оборотов, определяется периметром, который в свою очередь зависит от диаметра согласно следующему выражению:

Более общее выражение:

где  — пройденное расстояние;  — угол оборота;  — радиус колеса ().

Круговое движение

Задача прямолинейного равномерного движения эквивалентна задаче вращения. Переменные расстояния, скорости и ускорения эквивалентны угловым переменным: углу, угловой скорости и угловому ускорению соответственно. Все три, как видно из предыдущего раздела, связаны линейными зависимостями:

Угол поворота: Угловая скорость: Угловое ускорение:

Где, обобщая все три, мы видим: С левой стороны угловые эквиваленты (угол, угловая скорость, угловое ускорение) С правой стороны линейные эквиваленты (расстояние, линейная скорость, линейное ускорение) поделённые на радиус r

Три показанных соотношения выводятся из геометрии колеса, где длина дуги окружности зависит от заданного угла поворота , выраженного в радианах, умноженного на радиус окружности, при этом при повороте колеса на один оборот оно проходит расстояние равное периметру, что соответствует углу поворота в радианах 2π. Ускорение, вызванное изменением направления скорости, можно найти, если заметить, что скорость совершает полное изменение направления за то же самое время T, за которое объект делает один оборот. Тогда вектор скорости проходит путь длиной 2π v каждые T секунд:

Где: ac — ускорение (всегда направлено к центру колеса)  — угловая скорость колеса r — радиус окружности, где располагается рассматриваемая точка.