Kolo na hřídeli - Wheel and axle

Vrátek je dobře známé použití kola a nápravy.

Kol a náprav je jednoduchý stroj se skládá z kola připojeného k menší ose tak, že tyto dvě části otáčejí společně, ve kterém je síla přenášená z jednoho na druhý. Na kolo a nápravu lze pohlížet jako na verzi páky, přičemž hnací síla působící tangenciálně na obvod kola a zatěžovací síla působící na nápravu, které jsou vyváženy kolem závěsu, který je osou otáčení.

Dějiny

Halaf kultura 6500-5100 před naším letopočtem byla připsána nejčasnější zobrazení kolového vozidla, ale to je nejisté, protože neexistuje žádný důkaz o Halafians buď pomocí kolová vozidla či dokonce keramiky kola.

Jednou z prvních aplikací kola, která se objevila, byl hrnčířský kruh , který používaly prehistorické kultury k výrobě hliněných nádob. Nejstarší typ, známý jako „turnaje“ nebo „pomalá kola“, byl na Středním východě znám v 5. tisíciletí před naším letopočtem. Jeden z prvních příkladů byl objeven v Tepe Pardis v Íránu a byl datován do období 5200–4700 př. N. L. Ty byly vyrobeny z kamene nebo hlíny a připevněny k zemi kolíkem uprostřed, ale k otočení bylo zapotřebí značné úsilí. Pravá hrnčířská kola, která se volně točí a mají mechanismus kola a nápravy, byla vyvinuta v Mezopotámii ( Irák ) v letech 4200–4000 př. N. L. Nejstarší dochovaný příklad, který byl nalezen v Ur (současný Irák ), pochází přibližně z roku 3100 př. N. L.

Důkazy o kolových vozidlech se objevily koncem 4. tisíciletí před naším letopočtem . Vyobrazení kolový vozy našel na clay tablet piktogramů v okrese Eanna z Uruk , v sumerské civilizace Mezopotámie, jsou datovány mezi 3700-3500 BCE. Ve druhé polovině 4. tisíciletí př. N. L. Se na severním Kavkaze ( kultura Maykop ) a ve východní Evropě ( kultura Cucuteni – Trypillian ) téměř současně objevily důkazy o kolových vozidlech . Vyobrazení kolového vozidla se objevila mezi lety 3500 a 3350 př. N. L. V hliněné nádobě Bronocice vyhloubené v osadě kultury Funnelbeaker v jižním Polsku . V nedaleké Olszanici byly zkonstruovány dveře široké 2,2 m (zkonstruovány byly 2,2 široké dveře) pro vjezd do vagónu; tato stodola byla dlouhá 40 m a měla 3 dveře. Přežívající důkazy o kombinaci kola a nápravy ze Stare Gmajne poblíž Lublaně ve Slovinsku ( Lublaňská bažina Dřevěné kolo ) jsou datovány se dvěma standardními odchylkami do roku 3340–3030 př. N. L., Náprava do roku 3360–3045 př. N. L. Jsou známy dva typy raného neolitického evropského kola a nápravy; circumalpine typ vozu konstrukce (kola a nápravy otáčejí společně, jak je v Ljubljana močálů kolo), a že v Baden kultury v Maďarsku (náprava neotáčí). Oba jsou datováni do c. 3200 - 3000 BCE. Historici se domnívají, že kolem poloviny 4. tisíciletí před naším letopočtem došlo k rozšíření kolového vozidla z Blízkého východu do Evropy.

Časný příklad dřevěného kola a jeho nápravy byl nalezen v roce 2002 v Lublaňských bažinách asi 20 km jižně od Lublaně , hlavního města Slovinska. Podle radiokarbonového datování je to mezi 5 100 a 5 350 lety. Kolo bylo vyrobeno z jasanu a dubu a mělo poloměr 70 cm a náprava byla dlouhá 120 cm a byla vyrobena z dubu.

V římském Egyptě , Hero Alexandrie identifikovala kolo na hřídeli jako jeden z jednoduchých strojů používaných ke zvedání závaží. Předpokládá se, že to bylo ve formě rumpálu, který se skládá z kliky nebo kladky spojené s válcovou hlavní, která poskytuje mechanickou výhodu při navíjení lana a zvedání břemene, jako je kbelík, ze studny.

Kolo a náprava byly renesančními vědci identifikovány jako jeden ze šesti jednoduchých strojů, čerpajících z řeckých textů o technologii.

Mechanická výhoda

Jednoduchý stroj nazývá kol a náprav se týká sestavy tvořen dvěma kotouči, nebo válců, z různých průměrů uložena tak, že otáčejí kolem stejné osy. Tenká tyč, kterou je třeba otáčet, se nazývá náprava a širší předmět připevněný k nápravě, na který působíme silou, se nazývá kolo. Tangenciální síla působící na obvod velkého disku může vyvinout větší sílu na zatížení připojené k nápravě, čímž se dosáhne mechanické výhody . Při použití jako kolo jednoho kolového vozidla menší válec je osa kola, ale při použití v vrátek , naviják , a další podobné aplikace (viz středověkých hornických lanovky na pravé straně) Druhý válec může být odděleně od nápravě instalovaný v ložiskách. Nelze použít samostatně.

Za předpokladu, že kola a náprava nepromarnilo nebo akumulátor energie, který je, že nemá žádné tření , nebo pružnost je síla vstupní silou působící na kola se musí rovnat výstupní výkon na hřídeli. Jak se kolo a systém náprav otáčí kolem svých ložisek, body na obvodu nebo hraně kola se pohybují rychleji než body na obvodu nebo hraně nápravy. Síla působící na okraj kola proto musí být menší než síla působící na okraj nápravy, protože síla je součinem síly a rychlosti.

Nechť a a b jsou vzdálenosti od středu ložiska k okrajům kola A a nápravy B.Pokud je vstupní síla F _A aplikována na okraj kola A a síla F _B na okraji náprava B je výkon, pak je poměr rychlostí bodů A a B dán a/b , takže poměr výstupní síly k vstupní síle, neboli mechanická výhoda , je dán vztahem

${\ displaystyle MA = {\ frac {F_ {B}} {F_ {A}}} = {\ frac {a} {b}}.}$

Mechanická výhoda jednoduchého stroje, jako je kolo a náprava, se vypočítá jako poměr odporu a síly. Čím větší je poměr, tím větší je násobení vytvořené síly (točivého momentu) nebo dosažené vzdálenosti. Změnou poloměrů nápravy a/nebo kola lze dosáhnout jakékoli mechanické výhody. Tímto způsobem může být velikost kola zvětšena v nepohodlném rozsahu. V tomto případě se používá systém nebo kombinace kol (často ozubená, tj. Ozubená kola ). Protože kolo a náprava jsou typem páky, je systém kol a náprav jako složená páka.

U motorových kolových vozidel působí převodovka na nápravu silou, která má menší poloměr než kolo. Mechanická výhoda je tedy mnohem menší než 1. Kolo a náprava automobilu proto nepředstavují jednoduchý stroj (jehož účelem je zvýšit sílu). Tření mezi kolem a vozovkou je ve skutečnosti poměrně nízké, takže stačí i malá síla vyvíjená na nápravu. Skutečná výhoda spočívá ve velkých otáčkách, kterými se náprava díky převodovce otáčí.

Ideální mechanická výhoda

Mechanická výhoda kola a nápravy bez tření se nazývá ideální mechanická výhoda (IMA). Vypočítává se podle následujícího vzorce:

${\ Displaystyle \ mathrm {IMA} = {F _ {\ text {out}} \ over F _ {\ text {in}}} = {\ mathrm {Radius} _ {\ text {wheel}} \ over \ mathrm {Radius } _ {\ text {Axe}}}}$

Skutečná mechanická výhoda

Všechna skutečná kola mají tření, které část energie odvádí jako teplo. Skutečná mechanická výhoda (AMA) kola a náprava je vypočtena podle následujícího vzorce:

${\ displaystyle \ mathrm {AMA} = {F _ {\ text {out}} \ over F _ {\ text {in}}} = \ eta \ cdot {\ mathrm {Radius} _ {\ text {wheel}} \ over \ mathrm {Radius} _ {\ text {Axe}}}}$

kde

${\ displaystyle \ eta = {P _ {\ text {out}} \ over P _ {\ text {in}}}}$ je účinnost kola, poměr výkonu k příkonu

Reference

Dodatečné zdroje

Základní stroje a jak fungují, Spojené státy. Bureau of Naval Personnel, Courier Dover Publications 1965, s. 3–1 a následující náhled online