Колесо физика: Колесо — Физика — Много Курсов

Содержание

Колесо — Физика

Колесо́ — движитель, круглый (как правило), свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется длятранспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах.

История

Самые ранние колеса (глиняные модели колес) встречаются на территории современной Румынии и Украины (неолитическая культура Кукутени — Триполье). Эти находки датируются последней четвертью V тысячелетия до н. э. Затем — в IV тысячелетии — они появляются и на территориях современной Германии, Польши и в южнорусских степях Северного Причерноморья. К более ранним, чем «месопотамские», относятся модели колёс, обнаруженные археологами А. Д. Резепкиным на Северном Кавказе и А. В. Кондрашовым на Кубани. Всё больше материальных доказательств свидетельствуют в пользу того, что «самое первое» колесо появилось на Западе (а не на Востоке).

В живой природе принцип колеса используется лишь некоторыми жгутиковыми эукариотами, для которых характерно такое формирование актиновых или флагеллиновых нитей, которое приводит к колебанию основного жгутика.

Следующие упоминания о колесе встречаются в Древней Месопотамии в конце 4-го тысячелетия до н. э. Предшественником колеса можно считать известный до этого деревянный каток, который подкладывался под перемещаемый груз. Первоначально колесо представляло собой деревянный диск, насаженный на ось и зафиксированный клином. Изображения салазок с колёсиками (3000 г. до н. э.) найдены в Месопотамиив 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, вэламском городе Сузы.

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 затем в транспортных машинах был заменен 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 колесиках — возможно, они выполняли ритуальные функции, а возможно, были просто игрушками. Исходя из этого, можно предположить, что и первое колесо появилось в качестве игрушки.

Также до прихода европейцев колеса не знали коренные народы Австралии и южной Африки.Изобретение колеса способствовало развитию 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 движениясолнца, в буддизме оно символизирует закон и истину, симметрию и совершенство Дхармы, мирные перемены. Крылатое колесо ассоциируется со скоростью, колесо колесницы — с правлением и властью. Вдревнегреческой 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 механическое преимущество, 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 вподшипниках. При использовании колёс для различных транспортных средств также необходимо обеспечивать необходимое сцепление их с землёй, что может быть достигнуто применением рифлёных колёс.

Катись, колесо

Автомобильная шина, при внешней простоте, — высокотехнологичный продукт. Мы уже рассказывали о том, что она представляет собой для химиков и как развивались технологии производства материала для шин. В этот раз мы вместе с Toyo Tires будем разбираться уже в физике и в том, насколько важны такие, казалось бы, мелочи, как рисунок протектора.

К любому колесу — будь то колесо чемодана или колесо платформы для вывоза космической ракеты на старт — предъявляется несколько требований. Оно, во-первых, должно выдерживать нагрузку, причем в разных направлениях. Во-вторых, оно должно иметь достаточную площадь контакта с опорой. Оно, наконец, не должно терять сцепления с поверхностью и, при всех перечисленных требованиях, иметь разумный для своей функции размер.

К автомобильным шинам список требований еще больше. Шина также должна терять как можно меньше энергии за счет трения качения и сохранять сцепление не только при маневрах, но и при езде по снегу, льду и лужам. Правильная конструкция шин экономит несколько процентов топлива за счет меньшего трения качения.

Есть и еще один момент. Уровень шума, создаваемого машинами, в большинстве стран регламентируется, причем отдельно лимитируется шум от шин. На высокой скорости основной шум автомобиля производят именно шины, а не двигатель, — и шум одного и того же автомобиля на одной и той же скорости в разной «обуви» может отличаться на десяток децибел.

Действующий еще с 2005 года в России ГОСТ Р 41.51-2004 указывает, что легковая машина не должна создавать шум громче 74 децибел. А отдельный стандарт, ГОСТ Р 52800-2007, прописывает методику измерения как раз «шинного» шума при езде с выключенным двигателем.

Шум

72 децибела — максимум для шин по европейским стандартам.

Такой шум соответствует громкому разговору двух собеседников, хотя прежде шины шумели еще больше: в 90-е годы попадались значения от 75 до 80 децибел, то есть на уровне крика или включенного на полную мощность пылесоса.

Сегодня обычная тихая шина генерирует около 70 децибел шума. При этом разница между 72 и 70 децибелами на самом деле составляет не три процента, а 1,26 раза, если считать по величине звукового давления: децибельная шкала не линейная, а логарифмическая и устроена так, что разница в 20 децибел выражает десятикратную разницу в звуковом давлении.

Так что между обычной тихой шиной и шиной предельно допустимой громкости — такое же различие, какое отделяет просто громкий разговор от крика.

Чтобы шоссе за окном шумело поменьше, вы можете либо ограничить поток автомобилей, либо просто их «переобуть»: поставив на весь транспорт 70-децибельные шины, вы добьетесь того же эффекта, что и сократив поток на четверть. Причем безо всякого ущерба для управляемости автомобилей, экономии топлива, скорости движения и даже без дополнительных расходов — тихие шины зачастую стоят столько же.

Проведенные в начале XXI столетия исследования показали, что уровень шума можно снижать без потери всех прочих качеств, не заставляя автовладельцев особенно переплачивать за тихие шины.

Чтобы понять, что делает тихую шину тихой, нужно сперва разобраться в том, откуда вообще берется шум.

Поверхность колеса обычного автомобиля (не гоночного болида и не болотохода) имеет характерный рисунок из тонких канавок в слое резины: эти канавки нужны для того, чтобы отводить воду из-под колес автомобиля, едущего по мокрой дороге.

Канавки не позволяют образоваться сплошной пленке воды под колесом и тем самым предотвращают аквапланирование: эффект, при котором колесо теряет контакт с дорогой и начинает скользить. Канавки делают так, чтобы колеса отбрасывали воду в сторону — поэтому их рисунок часто напоминает елочку или серию наклонных штрихов.

Кроме сравнительно широких канавок, любая современная шина имеет еще и ламели — тонкие прорези, которые не столь эффективны в отведении воды, зато играют важную роль в обеспечении механических свойств резины. Прорезанная правильным образом резина лучше гнется и более эффективно сцепляется с поверхностью по сравнению с монолитным протектором.

Однако при езде по сухой дороге канавки и, в меньшей степени, ламели выталкивают из-под колеса не воду, а воздух, создавая характерный шум. При самом простом рисунке с равным расстоянием между ламелями и канавками возникает ровный гул, частота которого определяется периодичностью рисунка протектора и скоростью движения.

Так как избавиться от канавок и ламелей нельзя, конструкторы идут на иные ухищрения. Например, все выступы и впадины на протекторе размещают на разных расстояниях друг от друга и тогда монотонный гул становится менее неприятным и более тихим: шина создает столько же колебаний воздуха, но они звучат на разных частотах, и та же самая энергия размазывается по спектру.

Рисунок на покрышках, впрочем, не единственная причина шума. Сама по себе шина, — а это тороидальная камера, заполненная воздухом под давлением — отличный резонатор. Это тоже способствует шуму: здесь для наглядности можно вспомнить гитару, где источник звука, струны, закреплены на полом корпусе. А с шиной все даже хуже, чем с гитарой, из-за того, что внутри вращающейся камеры гуляют воздушные потоки, которые добавляют громкости нашему колесу.

Этот шум — и сейчас речь идет о технологии, которая находится буквально на переднем крае шиностроения, еще не вышедшей в серийное производство, — можно подавить за счет специальной сетчатой конструкции внутри камеры. Она, во-первых, уменьшает скорость воздушных потоков внутри колеса, а во-вторых, уменьшает добротность резонатора. Добротностью в физике колебаний называют меру того, насколько медленно затухают колебания в системе, и чем добротность полой камеры выше, тем меньше затухание звука и тем более гулкой она окажется.

Борьба за снижение шума, впрочем, началась, по историческим меркам, недавно. Еще в 2001 году ученым приходилось подробно разбирать заблуждения об источниках шума от автомобильного транспорта и доказывать, что шумит не столько двигатель, сколько шины: для этого пришлось поставить множество экспериментов с машинами, которые с выключенным двигателем проезжали мимо стоек с микрофонами.

А вот проблема прочности и устойчивости волновали конструкторов с того самого момента, когда в 1890-х начали делать колеса с надувной камерой и резиновой шиной.

Управляемость

Канавки и ламели часто называют протектором, хотя на самом деле протектор — это та часть шины, которая контактирует с дорогой и защищает камеру от повреждений. Шины болидов «Формулы-1» (равно как и второй по скорости автогоночной серии, IndyCar) лишены подобных деталей рельефа, они абсолютно гладкие, но при этом имеют весьма внушительный протектор — «формульная» резина толще, поскольку обычная дорожная покрышка на колесе болида, пилоты которого на торможениях испытывают перегрузки до 5g, лопнула бы задолго до первого пит-стопа.

Канавки предотвращают аквапланирование, но при этом и уменьшают пятно контакта колеса с дорогой. Коэффициент трения скольжения — а чем он выше, тем лучше сцепление с поверхностью — у «слика», то есть гладкой шины, выше. В кольцевых автогонках, где резина не проживает больше пары сотен километров, шины без канавок подходят идеально (а в дождь пилоты едут в боксы за дождевой резиной с привычным рисунком), однако обыкновенным автомобилям нужен компромисс между сцеплением по сухому и сцеплением в дождь.

У слика на мокрой дороге коэффициент трения падает почти в десять раз, с 0,9 до 0,1 — и поэтому водителям, которых не ждет за поворотом команда механиков, предпочтительнее иметь шины, которые лишь немногим хуже на сухом асфальте, но многократно лучше в в дождь. Обычная шина на мокрой поверхности имеет коэффициент трения 0,4, а на сухой 0,7. Впрочем, эти показатели довольно приблизительны, ведь даже асфальт на разных дорогах может существенно отличаться.

Одним только дождем в наших широтах дело не ограничивается: дороги нередко бывают засыпаны снегом и покрыты льдом. Поэтому, помимо ламелей и канавок, зимняя шина может иметь выступы. Это существенно увеличивает ее громкость, повышает расход топлива и снижает управляемость автомобиля на сухой дороге — однако увеличивает ее при езде по снегу.

Канавки на зимних шинах заметно шире и рассчитаны не столько на выведение из-под шины воды, сколько на утрамбовывание снега и сцепление с ним — ребристое колесо, катящееся по снегу, работает как движущаяся по зубчатой рейке шестеренка.

Тракторные и вездеходные колеса идут еще дальше и, как правило, отказываются от канавок в принципе: вместо них широкая шина опоясывается ребрами, способными зацепится даже за вязкий грунт. На трассе обутая в такие колеса техника будет чувствовать себя совсем неудобно, но тракторам и карьерным самосвалам проблема аквапланирования, излишнего шума и потерь на сопротивление воздуха при быстрой езде не знакома.

Разработка Toyo Tires – ламели со спиральной кромкой.

Подобная форма призвана улучшить эффект зацепления во всех направлениях.

Разработка Toyo Tires – ламели со спиральной кромкой.

За счёт спиральной формы зона контакта шины с поверхностью распределяется равномерно.

Разработка Toyo Tires – ламели со спиральной кромкой.

Это можно увидеть при измерении давления поверхности шины.

Особняком стоят шины с металлическими шипами — они обеспечивают наилучшее сцепление на льду, но при этом более шумные и менее экономичные. Шум от них обычно на несколько децибел выше, чем от обычных, но при этом коэффициент трения скольжения по льду вырастает с типичных для обычных покрышек 0,15 до 0,2.

Впрочем, говорить о точных величинах — например, «такое-то решение сокращает тормозной путь на 45,5 процента» — не приходится. Разные машины имеют разные тормоза, отличаются друг от друга по массе, и зачастую торможение, начатое на пятне снега, может продолжиться на льду, а потом перейти на слякоть — какие уж тут точные измерения. Да и водители тоже бывают разные — кто-то прошел школу экстремального вождения зимой, а кто-то только вчера сдал на права, причем обучался на совсем другом автомобиле.

Новые шины появляются на свет в результате как сложного компьютерного моделирования (гибкое тело сложной трехмерной формы просчитать довольно непросто), так и испытаний, в ходе которых учитываются не только точные показатели, вроде длины тормозного пути, но и субъективные оценки водителей-испытателей. Хорошее торможение на снегу не должно идти в ущерб управляемости на сухом асфальте, иначе езда по реальной зимней дороге окажется не проще, а сложнее.

Прочность

Резина, несмотря на все технологические ухищрения (вплоть до использования синхротрона при проектировании), плохо держит нагрузку на разрыв. Поэтому внутрь резиновой шины закладывается корд: тканевая, полимерная или даже металлическая основа, причем масса этой основы часто превышает массу видимой снаружи резины.

Для большей прочности корд делается многослойным. Ориентация нитей определяет тип шины: радиальный или диагональный. Диагональный корд наматывается под углом 45 градусов, и его сложно заставить прижать внешнюю часть шины к ступице; радиальный позволяет сделать шину низкопрофильной, но при этом боковина оказывается более уязвимым местом, да и сам процесс производства радиальных шин несколько сложнее.

Низкопрофильные радиальные шины дают бóльшую площадь пятна контакта и, будучи жестче, оказываются более экономичными и легкими. Однако при этом повышенная жесткость не только уменьшает потери на деформацию, но также более ощутимо передает толчки при наезде на неровности.

В «Формуле-1» радиальные шины вытеснили диагональные еще в 70-е годы, сегодня их примеру последовали и все пассажирские виды транспорта. Диагональные шины теперь применяются только там, где большая стойкость к боковым повреждениям (при наезде на острый предмет сбоку) важнее тишины, экономичности и малой массы.

Лесовозу, например, важнее проходимость по грунтовой дороге и стойкость к наезду на заостренные щепки и пни, а не эффективность движения по трассе. Кроме того, такую шину проще изготовить и потом ремонтировать.

Внутри современной радиальной шины — не просто многослойный корд, а сложная конструкция: между основным каркасом и протектором находится еще дополнительная прослойка из полимерных волокон или стальной проволоки. Сбоку также закладывается дополнительная оболочка, чтобы предотвратить и образование грыж (выпячивания наружу внутренних слоев), и повреждений при наезде на препятствия.

Мощная защита позволяет шине выдержать даже наезд на острые предметы, а меньшая толщина корда с боков оказывается преимуществом не только за счет облегчения всего колеса. Кроме того, жесткость шины повышает управляемость в повороте, ведь колесо не должно терять свою форму даже при приложении значительной боковой нагрузки.

Даваемое переходом на радиальную конструкцию облегчение колеса сбрасывать со счетов не стоит: энергия тела в механике складывается из кинетической энергии движения центра масс (mV²/2), потенциальной энергии (растет при подъеме в гору, mgH) и энергии вращения всех тех частей, которые могут вращаться.

Для автомобиля, едущего со скоростью около 72 километров в час, энергия вращения шин без учета дисков составит примерно 10 процентов от общей энергии всей движущейся машины — и значит, что 10 процентов энергии двигателя при разгоне потрачено на раскручивание шин. Облегченные диски (то есть не сплошные) тоже призваны отчасти улучшить динамику за счет избавления от впустую крутящейся массы.

Более тонкие стенки радиальной шины обеспечивают лучшее охлаждение — а колесо греется за счет постоянной деформации, сжатия воздуха внутри и просто солнечных лучей. Воздух же — это газ, который при нагреве расширяется или, если ему некуда расширяться, увеличивает давление в камере: при особо неудачном стечении обстоятельств камера может и взорваться.

Уже сам воздух, сжатый под давлением в несколько атмосфер (до 9, если это грузовой транспорт) представляет собой угрозу, поэтому даже взорвавшаяся на стоянке или отдельно от автомобиля шина — это не просто неожиданный хлопок, но и риск тяжелой травмы или даже гибели оказавшегося рядом человека.

При езде по трассе последствия лопнувшего колеса еще более очевидны — в самом лучшем случае, это аварийный съезд на обочину и долгий ремонт.

Алексей Тимошенко

Загадка тележного колеса.

Занимательная физика. Перельман Я.И. :: Класс!ная физика

Прикрепите сбоку к ободу тележного колеса (или к шине велосипедного) цветную бумажку и наблюдайте за ней во время движения телеги (или велосипеда). Вы заметите странное явление: пока бумажка находится в нижней части катящегося колеса, она видна довольно отчетливо; в верхней же части она мелькает так быстро, что вы не успеваете ее разглядеть. Выходит как будто, что верхняя часть колеса движется быстрее, чем нижняя.

То же наблюдение можно сделать, если сравнить между собой верхние и нижние спицы катящегося колеса какого-нибудь экипажа. Будет заметно, что верхние спицы сливаются в одно сплошное целое, нижние же видимы раздельно. Дело опять-таки происходит так, словно верхняя часть колеса быстрее движется, чем нижняя. В чем же разгадка этого странного явления?

Да просто в том, что верхняя часть катящегося колеса действительно движется быстрее, чем нижняя. Факт представляется с первого взгляда невероятным, а между тем простое рассуждение убедит нас в этом. Ведь каждая точка катящегося колеса совершает сразу два движения: обращается вокруг оси и в то же время подвигается вперед вместе с этой осью. Происходит — как в случае земного шара — сложение двух движений, и результат для верхней и нижней частей колеса получается разный.

Вверху вращательное движение колеса прибавляется к поступательному, так как оба движения направлены в одну и ту же сторону. Внизу же вращательное движение направлено в обратную сторону и, следовательно, отнимается от поступательного. Вот почему верхние части колеса перемещаются относительно неподвижного наблюдателя быстрее, чем нижние.

То, что это действительно так, легко понять на простом опыте, который следует проделать при удобном случае. Воткните в землю палку рядом с колесом стоящей телеги так, чтобы палка приходилась против оси. На ободе колеса, в самой верхней и в самой нижней его частях, сделайте пометки мелом или углем; пометки придутся, следовательно, как раз против палки. Теперь откатите телегу немного вправо (рис.7), чтобы ось отошла от палки сантиметров на 20 — 30, и заметьте, как переместились ваши пометки. Окажется, что верхняя пометка A переместилась заметно больше, нежели нижняя В, которая только едва отступила от палки.

Рис. 7. Как убедиться, что верхняя часть колеса движется быстрее нижней

Сравните расстояния точек А и В откатившегося колеса (правый чертеж) от неподвижной палки.

Страницы из книги «Занимательная физика», авт. Я.И. Перельман

Глава 1. Книга 1
Скорость, сложение движений
Быстрота движения
Погоня за временем
Доля секунды
Лупа времени
Когда мы движемся вокруг
Загадка колеса
Самая медленная часть колеса
Задача не шутка
Откуда плыла лодка

Читаем дальше:

Глава 1. Книга 1. Скорость, сложение движений
Глава 2. Книга 1. Тяжесть, вес, рычаг, давление
Глава 3. Книга 1. Сопротивление среды
Глава 4. Книга 1. Вращение и вечные двигатели
Глава 5. Книга 1. Свойства газов и жидкостей
Глава 6. Книга 1. Тепловые явления
Глава 7. Книга 1. Лучи света
Глава 8. Книга 1. Отражение и преломление света
Глава 9. Книга 1. Зрение одним и двумя глазами
Глава 10. Книга 1. Звук и слух
Глава 7. Книга 2. Тепловые явления

Колесо смеха. Занимательная физика. Перельман Я.И. :: Класс!ная физика

Раскройте зонтик, уприте его концом в пол и вращайте за ручку; вам не трудно будет придать ему довольно быстрое движение. Теперь бросьте внутрь зонтика мяч или скомканную бумагу; брошенный предмет не остается в зонтике, а будет выкинут из него, что принято неправильно называть “центробежной силой” и что в действительности есть лишь проявление инерции.

Мяч выбрасывается не по направлению радиуса, а по касательной к пути кругового движения.
На этом эффекте вращательного движения основано устройство своеобразного развлечения — “колеса смеха” (рис. 41), которое можно видеть, например, в парках культуры. Посетители имеют здесь случай на самих себе испытать действие инерции. Публика размещается на круглой площадке — стоя, сидя, лежа, — кто как желает.

Скрытый под площадкой мотор плавно вращает ее около вертикальной оси, сначала медленно, потом все быстрее, постепенно увеличивая скорость. И тогда под действием инерции все находящиеся на платформе начинают сползать к ее краям. Сначала это движение едва заметно, но по мере того как “пассажиры” удаляются от центра и попадают на окружности все большего и большего радиуса, скорость, а следовательно, и инерция движения сказываются все заметнее. Никакие усилия удержаться на месте не приводят ни к чему, и люди сбрасываются с “колеса смеха”.

Рис. 41. “Колесо смеха”. Люди на вращающемся круге отбрасываются за его края.

Земной шар есть, в сущности, такое же “колесо смеха”, только гигантских размеров. Земля, конечно, не сбрасывает нас с себя, но она все же уменьшает наш вес. И на экваторе, где скорость вращения наибольшая, уменьшение веса от этой причины, доходит до 1/300 доли. А вместе с другой причиной (сжатие Земли) вес каждого тела на экваторе уменьшается, в общем, на полпроцента (т. е. на 1/200), так что взрослый человек весит на экваторе примерно на 300 г меньше, чем на полюсе.

Страницы из книги «Занимательная физика», авт. Я.И. Перельман

Глава 4. Книга 1
Вращение и вечные двигатели

Вареное или сырое
Колесо смеха
Чернильные вихри
Обманутое растение
Вечные двигатели
Зацепочка
Аккумулятор Уфимцева
Чудо и не чудо
Вечный двигатель времен Петра I

Читаем дальше:

Физика движения велосипеда

Главная » Статьи » Физика движения велосипеда.

Для того, чтобы двухколесный велосипед не упал, нужно постоянно поддерживать равновесие. Поскольку площадь опоры велосипеда очень мала (в случае двухколесного велосипеда это всего лишь прямая, проведённая через две точки, в которых колеса касаются земли), такой велосипед может находиться только в динамическом равновесии. Это достигается с помощью подруливания: если велосипед наклоняется, велосипедист отклоняет руль в ту же сторону. В результате велосипед начинает поворачивать и центробежная сила возвращает велосипед в вертикальное положение. Этот процесс происходит непрерывно, поэтому двухколесный велосипед не может ехать строго прямо; если руль закрепить, велосипед обязательно упадёт. Чем выше скорость, тем больше центробежная сила и тем меньше нужно отклонять руль, чтобы поддерживать равновесие.

При повороте нужно наклонить велосипед в сторону поворота так, чтобы сумма силы тяжести и центробежной силы проходила через линию опоры. В противном случае центробежная сила опрокинет велосипед в противоположную сторону. Как и при движении по прямой, идеально сохранять такой наклон невозможно, и подруливание осуществляется точно так же, только положение динамического равновесия смещается с учётом возникшей центробежной силы.

Конструкция рулевого управления велосипеда облегчает поддержание равновесия. Ось вращения руля расположена не вертикально, а наклонена назад. Кроме того, она проходит ниже оси вращения переднего колеса и впереди той точки, где колесо касается земли. Благодаря такой конструкции достигаются две цели:

При случайном отклонении переднего колеса движущегося велосипеда от нейтрального положения возникает момент силы трения относительно рулевой оси, который возвращает колесо обратно в нейтральное положение.
Если наклонить велосипед, возникает момент силы, поворачивающий переднее колесо в сторону наклона. Этот момент вызван силой реакции опоры. Она приложена к точке, в которой колесо касается земли и направлена вверх. Из-за того, что рулевая ось не проходит через эту точку, при наклоне велосипеда сила реакции опоры смещается относительно рулевой оси.

Таким образом, осуществляется автоматическое подруливание, помогающее поддерживать равновесие. Если велосипед случайно наклоняется, то переднее колесо поворачивается в ту же сторону, велосипед начинает поворачивать, центробежная сила возвращает его в вертикальное положение, а сила трения возвращает переднее колесо обратно в нейтральное положение. Благодаря этому, можно ехать на велосипеде «без рук». Велосипед сам поддерживает равновесие. Сместив центр тяжести в сторону, можно поддерживать постоянный наклон велосипеда и выполнить поворот.

Можно заметить, что способность велосипеда самостоятельно сохранять динамическое равновесие зависит от конструкции рулевой вилки. Определяющим является плечо реакции опоры колеса, то есть длина перпендикуляра, опущенного из точки касания колеса земли на ось вращения вилки; или, что эквивалентно, но проще измерить — расстояние от точки касания колеса до точки пересечения оси вращения вилки с землёй. Таким образом, для одного и того же колеса возникающий момент будет тем выше, чем больше наклон оси вращения вилки. Однако для достижения оптимальных динамических характеристик нужен не максимальный момент, а строго определенный: если слишком малый момент приведёт к трудности удержания равновесия, то слишком большой — к колебательной неустойчивости, в частности — «шимми» (см. ниже). Поэтому положение оси колеса относительно оси вилки тщательно выбирается при проектировании; многие велосипедные вилки имеют изгиб или просто смещение оси колеса вперёд для снижения избыточного компенсирующего момента.

Распространённое мнение о существенном влиянии гироскопического момента вращающихся колёс на поддержание равновесия является неправильным.

На высоких скоростях (начиная примерно с 30 км/ч) переднее колесо может испытывать т.н. скоростные виляния (speed wobbles), или «шимми» — явление, хорошо известное в авиации. При этом явлении колесо самопроизвольно виляет вправо и влево. Скоростные виляния наиболее опасны при езде «без рук» (то есть когда велосипедист едет, не держась за руль). Причина скоростных виляний — не в плохой сборке или слабом креплении переднего колеса, они вызваны резонансом. Скоростные виляния легко погасить, снизив скорость или изменив позу, но если этого не сделать, они могут быть смертельно опасными.

Езда на велосипеде эффективнее (по затратам энергии на километр) как ходьбы, так и езды на автомобиле. При езде на велосипеде со скоростью 30 км/ч сжигается 15 ккал/км (килокалорий на километр), или 450 ккал/ч (килокалорий в час). При ходьбе со скоростью 5 км/ч сжигается 60 ккал/км или 300 ккал/ч, то есть езда на велосипеде в четыре раза эффективнее ходьбы по затратам энергии на единицу расстояния. Поскольку при езде на велосипеде расходуется больше калорий в час, она также является лучшей спортивной нагрузкой. При беге затраты калорий в час ещё выше. Необходимо учитывать, что ударные нагрузки при беге, а также неправильная езда на велосипеде (например, езда в гору на высоких передачах, переохлаждение коленей, отсутствие достаточного количества жидкости и т.д.) могут травмировать колени и голеностопный сустав. Тренированный мужчина, не являющийся профессиональным спортсменом, может в течение длительного времени развивать мощность 250 ватт, или 1/3 л. с. Это соответствует скорости 30—50 км/ч по ровной дороге. Женщина может развивать меньшую абсолютную мощность, но большую мощность на единицу веса. Поскольку на ровной дороге почти вся мощность расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а при езде в гору основные затраты — на преодоление силы тяжести, женщины, при прочих равных условиях, едут медленнее по ровному месту и быстрее в гору.

По материалам Википедии

Количество просмотров: 18442

ВОДЯНОЕ КОЛЕСО | Энциклопедия Кругосвет

ВОДЯНОЕ КОЛЕСО, механическое устройство для преобразования энергии падающей воды в энергию вращательного движения с тем, чтобы на оси колеса можно было совершать работу. При подъеме воды на некоторый уровень в ней запасается соответствующая этому уровню потенциальная энергия, поэтому падающая вода может совершать работу. Различают три основных вида водяного колеса – подливное (нижнебойное), наливное (верхнебойное) и среднебойное; их схемы приведены на рисунке. Подливное колесо – самое древнее, им с незапамятных времен пользовались древние египтяне и персы в своих черпаковых подъемниках воды, которые известны теперь под названием норий. В простейшем водяном колесе на ободе установлены прямые лопатки; нижние лопатки погружаются в водный поток. Течение давит на лопатки, и колесо вращается. Для увеличения отбора энергии из водного источника лопатки колеса стали делать в виде ковшей. В потоке с некоторым перепадом уровня воды используют среднебойное или подливное колесо вместе с направляющим аппаратом (желобом с затвором, которыми регулируется набегающий водный поток). Когда высота перепада достигает диаметра колеса или больше него, устанавливают наливное колесо. До эпохи Возрождения применялось множество типов только подливных колес; остальные виды водяных колес привлекли в себе внимание позже. Первые водяные колеса делались из дерева, железные детали в них стали широко использоваться в период Возрождения.

С появлением в начале 19 в. гидравлических турбин водяные колеса утратили свое былое значение. Теперь они используются лишь в малых энергетических установках. Коэффициент полезного действия современных наливных колес доходит до 85% (или чуть больше), среднебойных – до 75%, подливных – до 35%. Самым большим водяным колесом наливного вида является, вероятно, колесо Лэкси (диаметром 22 м), установленное на о.Мэн в Англии. См. также ГИДРОЭНЕРГЕТИКА.

Остановись, мгновенье, ты опасно! — Авторевю

Когда разговор заходит об устойчивости и управляемости, полезно вспомнить прогулянные уроки физики — и порисовать ускорения и силы. А чтобы не пойти по ложному пути, сразу ответим на вопрос, который порой ставит в тупик и тех, кто физику не прогуливал.

Какая сила заставляет автомобиль или мотоцикл разгоняться? Что-что, мощность? О, крутящий момент? Нет-нет, это реактивная сила трения, возникающая в пятне контакта шины с дорогой. Благодаря ей удается и поворачивать, и — что нам сейчас важнее — замедляться. Предельную «движущую» силу в пятне контакта можно описать как произведение силы, с которой покрышка давит на опорную поверхность (суть часть веса транспортного средства, приходящаяся на это колесо), на коэффициент трения (или сцепления). Причем в случае с парой «шина — дорога» уместней говорить именно о сцеплении и, соответственно, о коэффициенте сцепления, который обозначается буквой µ (читается как «мю»). Принципиальная разница со «школьным» коэффициентом трения в том, что если тот лежит в пределах от нуля до единицы, то µ может достигать нескольких единиц, то есть перегрузки могут заметно превышать g (9,81 м/c²). Например, когда пару образуют очень цепкий асфальтобетон и прогретая шина-слик.

Теперь вспомним, что сила — величина векторная, то есть описывается как численным значением, так и направлением, и посмотрим, какие из действующих на мотоцикл «главных» сил стремятся при торможении опрокинуть его вперед, а какие этому препятствуют. Опрокидывающее (или удерживающее от опрокидывания) воздействие описывается так называемым моментом силы — произведением силы на длину плеча воздействия, то есть длину перпендикуляра между центром вращения и вектором силы (или его продолжением). Коль скоро мы рассматриваем вероятность опрокидывания вперед, то центром вращения мотоцикла будем считать пятно контакта передней шины с дорогой (для упрощения картины берем предельный случай, когда переднее колесо заблокировано и сила трения достигла максимума, иначе центром следовало бы считать ось переднего колеса). И, вновь для упрощения, считаем, что мотоцикл — конструкция монолитно-жесткая, что центр масс системы «мотоцикл + мотоциклист» всегда находится на высоте h и аккурат посередине между колесами.

Для упрощения мы разместили центр тяжести ровно между колесами. При движении с постоянной скоростью силы F₁ и F₂ равны между собой, а в сумме они равны силе тяжести (весу) мотоцикла и мотоциклиста Mg (влиянием аэродинамических и прочих сил сейчас пренебрегаем). При замедлении сила F₁ возрастает, а сила F₂, соответственно, падает. Это — динамическое перераспределение веса. Fсц1 и Fсц2 — действующие в продольном направлении на шины силы сцепления, возникающие в пятнах контакта шин с дорогой. Опрокидывающий момент создает сила Fин на плече h, а препятствует ему момент силы тяжести F на плече b

Итак, торможение. Мотоцикл клюет носом: приложенная к центру тяжести сила инерции F (в ее «ньютоновском» смысле как сила противодействия) направлена вперед — и закручивает мотоцикл по часовой стрелке с моментом Mah, попутно увеличивая вертикальную силу F₁, с которой переднее колесо давит на дорогу (происходит так называемое динамическое перераспределение веса), а значит, и направленную назад силу сцепления Fсц1 в пятне контакта переднего колеса. В той же мере ослабляется сила F₂ и, соответственно, сила сцепления Fсц2 в пятне контакта заднего колеса. Препятствует же опрокидыванию направленный против часовой стрелки момент, создаваемый силой тяжести Mg, то бишь весом мотоцикла и мотоциклиста, который по отношению к центру опрокидывания действует на плече b, то есть равен Mgb. Заднее колесо потеряет сцепление с дорогой или начнет отрываться, когда момент, создаваемый силой Fин на плече h, сравняется или превысит момент силы тяжести на плече b. Поскольку совокупная масса мотоцикла и мотоциклиста M фигурирует во всех противоборствующих силах и моментах, причем исключительно в первой степени, мы вычеркиваем ее из наших уравнений — и приходим к выводу, что склонность мотоцикла к опрокидыванию через переднее колесо зависит от его колесной базы (в нашем случае это 2b) и высоты h центра тяжести, а влияние массы (по крайней мере на этапе простых линейных зависимостей) исчезает. Чем ниже центр тяжести и чем длиннее колесная база мотоцикла, тем лучше он застрахован от опрокидывания — и тем большее замедление может развить с помощью тормозов!

Можно оценить и максимально возможное замедление:

С оговоркой, что ни при каких обстоятельствах это замедление не превысит gµ. Напомним, что величина b лишь в нашем случае равна половинке колесной базы, а в более общем — это расстояние «по горизонтали» от центра переднего колеса до центра тяжести.

И еще один вывод: чем более скользкая дорога, тем, как ни странно, у мотоцикла выше шанс развить такое же предельное замедление, что и автомобиль. Если, конечно, этот автомобиль не ЛуАЗ-969, который сначала делал stoppie похлеще мотоцикла, но завершал измерение тормозного пути с отменным результатом; с другой стороны, на скользкой дороге и «потерять» мотоцикл легче.

Только не надо сейчас про гироскопические моменты, моменты инерции и импульсы. Еще раз: это упрощенная картинка, цель которой — показать самые важные закономерности! А начни мы оценивать влияние всех факторов — и объем этой эпистолы разрастется до добротной кандидатской.

Лучше предупредить, что с потерей надежного сцепления заднего колеса с дорогой, уж не говоря о подъеме колеса, мотоцикл, скорее всего, начнет «складываться» — и система «мотоцикл + мотоциклист» может разобщиться гораздо раньше завершения сальто. Ведь не бывает, особенно при торможении, идеально прямолинейного движения, как не бывает, чтобы руль стоял идеально прямо, а мотоциклист сидел так, чтобы его центр тяжести не был смещен вбок относительно продольной оси мотоцикла. Посмотрите на мотоцикл сверху (а лучше нарисуйте еще одну похожую картинку): малейшее смещение центра тяжести в сторону — и появляется «разворачивающий» момент, а если при этом заднее колесо едва касается дороги, то остается уповать на мастерство или чудо. А ведь мы рассмотрели только «легкий» случай, когда мотоцикл едет прямо!

А теперь вслед за Владимиром Здоровым едем на полигон!

Как работают колеса? | Колеса и оси

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 февраля 2021 г.

Колеса повсюду в нашем мире сегодня — в очень очевидных местах (на автомобилях, грузовиках и самолетах), но также спрятаны внутри всего от компьютерные жесткие диски и стиральные машины для электрические зубные щетки и посудомоечные машины. Шесть тысяч лет назад в все. Подъем колеса из простого проигрывателя, который помогал людям лепить глиняные горшки — ключевой компонент в сотнях важных изобретений. все простым и эффективным способом, который помогает нам запечатлеть и использовать энергию и преобразовывать силы.Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Колесо корабля: Колеса помогают транспортным средствам двигаться, передавая и уменьшая трение. (как мы объясним ниже), но они также работают как рычаги. Если вы так повернете внешнюю сторону колеса, ось в центре поворачивается медленнее, но с большей силой. Другими словами, большой штурвал помогает моряку поворачивать. судовой руль легче, чем маленькое колесо. Если представить, что каждая спица представляет собой рычаг, легко понять, как работает это колесо. Почему колесо не твердое? Толстые спицы обеспечивают большую прочность при меньшем весе по сравнению со сплошным колесом того же размера.Фото Шеннон Хевин любезно предоставлено ВМС США.

Зачем нужны колеса

В наше время мы предполагаем, что должны быть дороги, по которым колеса путешествовать по. Но колеса впервые стали использовать на тележках именно потому, что там не было ровных путей для надежной транспортировки. До изобретения тележек люди тащили грузы на санях и рамах. тянутся за животными, такими как лошади и собаки. Сани были эффективный способ перемещения тяжелых грузов до того, как колеса изобретены, но трение их тормозит.Рамы, в которые входит нагрузка перетащил и часть отнес, помогите решить эту проблему. А-образный перетаскивание рамки, известное как travois, как полагают, было изобретено тысячи лет назад, и коренные американцы использовали его до 19-го века. век. Даже с помощью животной силы трение между неровной землей и корпусом заставляло идет трудно.

Фото: Трение — не проблема, когда вы путешествуете по льду, как и пассажир. этой собачьей упряжке. Но сани не так хорошо двигаются по обычной местности: поэтому колеса были изобретены.Фото Джо Гольдманн, любезно предоставлено Службой охраны рыболовства и дикой природы США.

Как работают колеса?

Перетащить груз с помощью тележки на колесах — далеко легче, чем таскать его по земле — по двум причинам:

Колеса уменьшают трение. Вместо того, чтобы просто скользить по земле, колеса врезаются и вращаются, поворачиваясь вокруг прочных стержней, называемых осями. Это означает единственное трение животные должны преодолеть это в точке, где встречаются колесо и ось — между относительно гладкой внутренней поверхностью колес и одинаково гладкая внешняя поверхность осей вокруг которые они поворачивают.
обеспечивают рычаги (другими словами, они являются примерами мультипликаторов силы или простых механизмов). Тележку с большими колесами толкать легче, потому что у нее колеса большего диаметра. работают как большие рычаги, увеличивая тянущее или толкающее усилие и делая колеса легче вращать вокруг оси — точно так же Таким образом, длинный гаечный ключ облегчает ослабление гайки.

Давайте рассмотрим обе эти вещи более подробно.

1. Трение переключения на ось

Когда вы толкаете коробку о землю, возникает сильное трение между нижней частью коробка и земля внизу, потому что обе поверхности относительно неровные:

Когда вы толкаете тот же ящик, загруженный на тележку с четырьмя колесами, сопротивление намного меньше.Коробка больше не должна скользить землю так, чтобы часть трения исчезла. Однако колеса не устраняют трение полностью, как думают некоторые — это далеко не так! Между четырьмя колесами и землей должно быть трение, иначе они просто соскользнут (как будто что-то толкают по льду). Трение между каждым колесом и землей помогает ему «вкопаться», чтобы колесо могло вращаться.

Тележку толкать легче, потому что единственное реальное трение, с которым вам нужно работать, — это между четырьмя колесами и их осями.Когда вы толкаете тележку, относительно гладкие внутренние поверхности колес вращаются и скользят вокруг относительно гладких внешних сторон осей. Важное слово здесь — smooth ; Ключ к тому, как колеса уменьшают трение, заключается в том, что они могут плавнее скользить вокруг своих осей, чем объект может скользить по неровной поверхности. Если бы земля всегда была гладкой, как лед, нам вообще не понадобились бы колеса и оси — мы могли бы просто скользить и скользить везде! Иногда колеса и оси разделены шарикоподшипниками (маленькие сферические шарики из твердого металла, часто смазываемые маслом или консистентной смазкой), которые помогают еще больше уменьшить трение между двумя поверхностями, катаясь в пространстве между ними.Без подшипников или без них трение намного меньше, чем при толкании коробки прямо по земле, и поэтому тележка облегчает перемещение грузов:

2. Обеспечение кредитного плеча

Колеса на тележках помогают и в другом важном отношении: они работают как рычаги. Обод колеса поворачивается на большее расстояние, чем ось, поэтому в случае, когда вы толкаете тележку сзади или тянете ее спереди, на ось действует большее усилие, чем на обод. Это означает, что это действительно помогает, если у вашей тележки есть большие колеса, потому что они дают вам больше рычагов, увеличивают вашу толкающую силу и помогают преодолеть силу трения на осях.

Поверните колесо у обода, и прилагаемая вами сила (красная стрелка) умножится, чтобы получить большую силу на оси (синяя стрелка). Чем больше колесо, тем больше эффект, потому что радиус колеса работает как рычаг. Чем больше колесо, тем длиннее рычаг, и тем больше у вас будет рычагов.

Вместо этого поверните колесо в центре, и оно будет работать в обратном направлении. Теперь обод колеса идет дальше и быстрее. Вот как вы можете использовать колесо побольше, чтобы увеличить скорость.Однако, если вы приложите силу в центре колеса, рычаг будет работать в обратном направлении, и вы получите меньшее усилие на ободе, даже если там вы наберете больше скорости. Как и в случае с шестернями, вы не можете одновременно увеличивать силу и скорость. Если вы увеличиваете один из них, вы должны уменьшать другой, иначе вы использовали бы колесо, чтобы получать энергию из воздуха (что нарушает основной закон физики, называемый сохранением энергии).

Кто изобрел колесо?

Люди использовали животных для перевозки задолго до изобретение колеса и даже до развития человека поселения и сельское хозяйство на Ближнем Востоке около 8000–9000 лет до нашей эры.Считается, что в Китае приручили и одомашнили собак. 13000 г. до н. Э .; лошади были приручены гораздо позже, около 4500 г. до н. э. Животных, используемых для перевозки людей таким образом, называют зверями. груз.

Никто точно не знает, когда, где и как были изобретены колеса. Считается, что гончарные круги широко использовались около 7000 лет назад в Месопотамия (регион Ближнего Востока, в настоящее время в значительной степени оккупированный Ираком): легко представить, как горшечнику пришла в голову идея после того, как многократно вращая табурет, чтобы работать над горшком с разных ракурсов.Мы не знаем, когда гончарный круг был изобрели, но некоторые историки считают, что он может датироваться 8000 годом до нашей эры. В самом начале формы, это было немного больше, чем поворотный стол или «турнет», установленный на центральная опора.

Фото: Сделать круглый горшок на гончарном круге намного быстрее и проще, которым также можно украсить готовый горшок. Некоторые колеса медленно поворачиваются вручную; другие быстро вращаются с помощью педали. Фото Дж. Эрика и Эдит Мэтсон любезно предоставлено Библиотека Конгресса США, Отдел эстампов и фотографий [LC-DIG-matpc-20729].

Возможно, кто-то в конце концов превратил поверните колесо на 90 градусов, чтобы создать новый вид транспорта, или возможно, колесо было полностью изобретено для этой новой цели, но еще 1000–1500 лет прошло до того, как колеса впервые стали использоваться на телегах. Скорее всего, кто-то, используя стволы деревьев в качестве катков, реализовал свое дело. было бы проще, если бы журналы можно было как-то закрепить на месте под груз, нарезанный, как салями, чтобы им было легче проходить и вокруг препятствий. Такая эффективная идея должна была получить широкое распространение и колесо попало в Европу и Азию в следующие тысячелетие.

Фото: Ранние колеса делали из закругленных срезов стволов деревьев или комков камня. с прорезанными отверстиями для оси. Такие твердые колеса превратились в более легкие и быстрые полутвердые колеса. с большой массивной доской посередине и несколькими спицами по диагоналям. Колеса со спицами, как и модель колеса тележки, показанная здесь, продвинуть идею дальше, отказавшись от стольких максимально тяжелая масса без ущерба для прочности. Это сделало возможным изобретение быстрых колесниц, такие как те, которые использовались во времена Римской империи.

Колеса работают более эффективно, если у них ровное дорожное покрытие. путешествовать по. Римляне первыми начали строительство дорог примерно с 300 г. до н. Э. В качестве способ связать разрозненные части своей империи. Роман дороги были построены аналогично современным из слоев различные материалы, в том числе большие валуны для поддержки веса, и камни меньшего размера, песок и плитка для дренажа. Часто цемент и бетон (еще один важный римский технология) использовались для связывания сыпучих материалов.Сверху имелась износостойкая поверхность из сплющенные камни, разрезанные и соединенные вместе, как лобзик. Римские дороги были построены прямыми линиями, чтобы свести к минимуму время в пути.

Разработка колеса

С точки зрения фундаментальной науки, колеса, на которых движутся наши автомобили, сегодня практически идентичны тем, которые впервые использовались в древности: хотя и построены из более сложных материалов, они по-прежнему по существу плоские диски, вращающиеся на твердых осях. Более интересным является колеса эволюционировали другими путями в диапазоне все более и более сложные машины.

Фото: шестерня произошла от колеса и оси. Поставил много шестерен вместе, и вы можете преобразовывать силу и скорость в машине всеми способами.

С зубьями вокруг обода колеса становятся шестернями, способный изменять крутящий момент (вращающую силу) машины или ее скорость: шестерни позволяют велосипеду двигаться быстро или очень медленно подниматься на холм — при этом велосипедист будет крутить педали с одинаковой скоростью в обоих случаях. Установленные в барабаны колеса могут использоваться как лебедки для подъема воды из колодцев, скал. из шахт или с якорей на корабли: простые машины такого типа известные как кабестаны и лебедки.Лебедки с несколькими колесами, связаны несколькими отрезками троса, становятся шкивами: мощные машины что значительно увеличивает тяговые силы, позволяя человеку поднимать многие раз их собственный вес.

Фото: Гидротурбины (как эта с Плотина Гранд-Кули в штате Вашингтон, США) также произошла от колеса и оси. Фото любезно предоставлено Бюро мелиорации США.

Колеса — сердце турбин (машины, улавливающие энергию движущейся жидкости или газа): водяные колеса и ветряные мельницы, самые цивилизованные важные источники энергии машин в средние века, оба развивались от основного колеса оборачиваясь ось.Двигатели слишком полагаются на колеса преобразовывать топливо в энергию и управлять транспортным средством: в современном автомобиле двигатель, например, топливо сгорает в цилиндрах насосов поршней назад и далее, поворачивая смещенную от центра ось, известную как коленчатый вал, который затем приводит в действие коробку передач и опорные колеса.

За 7000 лет колесо вышло далеко за рамки своего первоначального использования. как инструмент для изготовления гончарных изделий. Помогая нам перемещать грузы, обуздывать энергию, и трансформируйте силы, это простое, но удивительно эффективное изобретение буквально позволил людям завоевать мир!

Если вам понравилась эта статья…

… вам могут понравиться мои книги. Мой последний Бездыханный: почему загрязнение воздуха имеет значение и как оно влияет на вас.

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Для читателей постарше

Колеса: Иллюстрированная история Эдвина Туниса. Johns Hopkins University Press, 2002. Современное переиздание классической книги 1955 года, в которой показана история колес с древних времен до 20-го века.

Для младших читателей

Это дети в возрасте от 9 до 12 лет, если не указано иное:

«Изготовление машин с колесами и осями» Крис Окслейд.Raintree, 2015. Очень хорошее 32-страничное введение под руководством проекта для детей 7–9 лет, в котором колеса рассматриваются в более широком контексте простых машин.
Изобретение Лайонела Бендера. Д.К., 2013. Обзор классических изобретений в области механики, электрики и электроники, которые мы склонны принимать как должное. Довольно устаревший и с очень небольшим охватом современных изобретений, но все же разумный обзор древних технологий, включая различные типы колес.
Ричард Хаммонд «Все о физике». ДК, 2015.Более легкое и увлекательное введение в физику для такой же аудитории. (Переиздание более ранней книги под названием Можете ли вы почувствовать силу? .)
Wheel от Дэвида и Патриции Патрисии Арментроут. CATS, 2009. Простое (32 страницы) введение в колеса и принцип их работы.

Статьи

Простое знакомство

Приветствие колесу, Меган Гамбино, Смитсоновский институт, 17 июня 2009 г. Экскурсия по истории колес.
Переделка Колеса: Эволюция Колесницы Джона Нобла Уилфорда, The New York Times, 22 февраля 1994 г.Увлекательное введение в разработку колес со спицами и боевых колесниц из архива NY Times.

Более научный

Деятельность

Как работают колеса? | Колеса и оси

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 февраля 2021 г.

Колеса повсюду в нашем мире сегодня — в очень очевидных местах (на автомобилях, грузовиках и самолетах), но также спрятаны внутри всего от компьютерные жесткие диски и стиральные машины для электрические зубные щетки и посудомоечные машины.Шесть тысяч лет назад в все. Подъем колеса из простого проигрывателя, который помогал людям лепить глиняные горшки — ключевой компонент в сотнях важных изобретений. все простым и эффективным способом, который помогает нам запечатлеть и использовать энергию и преобразовывать силы. Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Колесо корабля: Колеса помогают транспортным средствам двигаться, передавая и уменьшая трение. (как мы объясним ниже), но они также работают как рычаги. Если вы так повернете внешнюю сторону колеса, ось в центре поворачивается медленнее, но с большей силой.Другими словами, большой штурвал помогает моряку поворачивать. судовой руль легче, чем маленькое колесо. Если представить, что каждая спица представляет собой рычаг, легко понять, как работает это колесо. Почему колесо не твердое? Толстые спицы обеспечивают большую прочность при меньшем весе по сравнению со сплошным колесом того же размера. Фото Шеннон Хевин любезно предоставлено ВМС США.

Зачем нужны колеса

В наше время мы предполагаем, что должны быть дороги, по которым колеса путешествовать по.Но колеса впервые стали использовать на тележках именно потому, что там не было ровных путей для надежной транспортировки. До изобретения тележек люди тащили грузы на санях и рамах. тянутся за животными, такими как лошади и собаки. Сани были эффективный способ перемещения тяжелых грузов до того, как колеса изобретены, но трение их тормозит. Рамы, в которые входит нагрузка перетащил и часть отнес, помогите решить эту проблему. А-образный перетаскивание рамки, известное как travois, как полагают, было изобретено тысячи лет назад, и коренные американцы использовали его до 19-го века. век.Даже с помощью животной силы трение между неровной землей и корпусом заставляло идет трудно.

Фото: Трение — не проблема, когда вы путешествуете по льду, как и пассажир. этой собачьей упряжке. Но сани не так хорошо двигаются по обычной местности: поэтому колеса были изобретены. Фото Джо Гольдманн, любезно предоставлено Службой охраны рыболовства и дикой природы США.

Как работают колеса?

Перетащить груз с помощью тележки на колесах — далеко легче, чем таскать его по земле — по двум причинам:

Колеса уменьшают трение.Вместо того, чтобы просто скользить по земле, колеса врезаются и вращаются, поворачиваясь вокруг прочных стержней, называемых осями. Это означает единственное трение животные должны преодолеть это в точке, где встречаются колесо и ось — между относительно гладкой внутренней поверхностью колес и одинаково гладкая внешняя поверхность осей вокруг которые они поворачивают.
обеспечивают рычаги (другими словами, они являются примерами мультипликаторов силы или простых механизмов). Тележку с большими колесами толкать легче, потому что у нее колеса большего диаметра. работают как большие рычаги, увеличивая тянущее или толкающее усилие и делая колеса легче вращать вокруг оси — точно так же Таким образом, длинный гаечный ключ облегчает ослабление гайки.

Давайте рассмотрим обе эти вещи более подробно.

1. Трение переключения на ось

Когда вы толкаете тот же ящик, загруженный на тележку с четырьмя колесами, сопротивление намного меньше. Коробка больше не должна скользить землю так, чтобы часть трения исчезла.Однако колеса не устраняют трение полностью, как думают некоторые — это далеко не так! Между четырьмя колесами и землей должно быть трение, иначе они просто соскользнут (как будто что-то толкают по льду). Трение между каждым колесом и землей помогает ему «вкопаться», чтобы колесо могло вращаться.

Тележку толкать легче, потому что единственное реальное трение, с которым вам нужно работать, — это между четырьмя колесами и их осями. Когда вы толкаете тележку, относительно гладкие внутренние поверхности колес вращаются и скользят вокруг относительно гладких внешних сторон осей.Важное слово здесь — smooth ; Ключ к тому, как колеса уменьшают трение, заключается в том, что они могут плавнее скользить вокруг своих осей, чем объект может скользить по неровной поверхности. Если бы земля всегда была гладкой, как лед, нам вообще не понадобились бы колеса и оси — мы могли бы просто скользить и скользить везде! Иногда колеса и оси разделены шарикоподшипниками (маленькие сферические шарики из твердого металла, часто смазываемые маслом или консистентной смазкой), которые помогают еще больше уменьшить трение между двумя поверхностями, катаясь в пространстве между ними.Без подшипников или без них трение намного меньше, чем при толкании коробки прямо по земле, и поэтому тележка облегчает перемещение грузов:

2. Обеспечение кредитного плеча

Кто изобрел колесо?

Разработка колеса

Если вам понравилась эта статья…

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Для читателей постарше

Колеса: Иллюстрированная история Эдвина Туниса. Johns Hopkins University Press, 2002. Современное переиздание классической книги 1955 года, в которой показана история колес с древних времен до 20-го века.

Для младших читателей

Это дети в возрасте от 9 до 12 лет, если не указано иное:

«Изготовление машин с колесами и осями» Крис Окслейд.Raintree, 2015. Очень хорошее 32-страничное введение под руководством проекта для детей 7–9 лет, в котором колеса рассматриваются в более широком контексте простых машин.
Изобретение Лайонела Бендера. Д.К., 2013. Обзор классических изобретений в области механики, электрики и электроники, которые мы склонны принимать как должное. Довольно устаревший и с очень небольшим охватом современных изобретений, но все же разумный обзор древних технологий, включая различные типы колес.
Ричард Хаммонд «Все о физике». ДК, 2015.Более легкое и увлекательное введение в физику для такой же аудитории. (Переиздание более ранней книги под названием Можете ли вы почувствовать силу? .)
Wheel от Дэвида и Патриции Патрисии Арментроут. CATS, 2009. Простое (32 страницы) введение в колеса и принцип их работы.

Статьи

Простое знакомство

Приветствие колесу, Меган Гамбино, Смитсоновский институт, 17 июня 2009 г. Экскурсия по истории колес.
Переделка Колеса: Эволюция Колесницы Джона Нобла Уилфорда, The New York Times, 22 февраля 1994 г.Увлекательное введение в разработку колес со спицами и боевых колесниц из архива NY Times.

Более научный

Деятельность

Как работают колеса? | Колеса и оси

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 февраля 2021 г.

Колеса повсюду в нашем мире сегодня — в очень очевидных местах (на автомобилях, грузовиках и самолетах), но также спрятаны внутри всего от компьютерные жесткие диски и стиральные машины для электрические зубные щетки и посудомоечные машины.Шесть тысяч лет назад в все. Подъем колеса из простого проигрывателя, который помогал людям лепить глиняные горшки — ключевой компонент в сотнях важных изобретений. все простым и эффективным способом, который помогает нам запечатлеть и использовать энергию и преобразовывать силы. Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Колесо корабля: Колеса помогают транспортным средствам двигаться, передавая и уменьшая трение. (как мы объясним ниже), но они также работают как рычаги. Если вы так повернете внешнюю сторону колеса, ось в центре поворачивается медленнее, но с большей силой.Другими словами, большой штурвал помогает моряку поворачивать. судовой руль легче, чем маленькое колесо. Если представить, что каждая спица представляет собой рычаг, легко понять, как работает это колесо. Почему колесо не твердое? Толстые спицы обеспечивают большую прочность при меньшем весе по сравнению со сплошным колесом того же размера. Фото Шеннон Хевин любезно предоставлено ВМС США.

Зачем нужны колеса

В наше время мы предполагаем, что должны быть дороги, по которым колеса путешествовать по.Но колеса впервые стали использовать на тележках именно потому, что там не было ровных путей для надежной транспортировки. До изобретения тележек люди тащили грузы на санях и рамах. тянутся за животными, такими как лошади и собаки. Сани были эффективный способ перемещения тяжелых грузов до того, как колеса изобретены, но трение их тормозит. Рамы, в которые входит нагрузка перетащил и часть отнес, помогите решить эту проблему. А-образный перетаскивание рамки, известное как travois, как полагают, было изобретено тысячи лет назад, и коренные американцы использовали его до 19-го века. век.Даже с помощью животной силы трение между неровной землей и корпусом заставляло идет трудно.

Фото: Трение — не проблема, когда вы путешествуете по льду, как и пассажир. этой собачьей упряжке. Но сани не так хорошо двигаются по обычной местности: поэтому колеса были изобретены. Фото Джо Гольдманн, любезно предоставлено Службой охраны рыболовства и дикой природы США.

Как работают колеса?

Перетащить груз с помощью тележки на колесах — далеко легче, чем таскать его по земле — по двум причинам:

Колеса уменьшают трение.Вместо того, чтобы просто скользить по земле, колеса врезаются и вращаются, поворачиваясь вокруг прочных стержней, называемых осями. Это означает единственное трение животные должны преодолеть это в точке, где встречаются колесо и ось — между относительно гладкой внутренней поверхностью колес и одинаково гладкая внешняя поверхность осей вокруг которые они поворачивают.
обеспечивают рычаги (другими словами, они являются примерами мультипликаторов силы или простых механизмов). Тележку с большими колесами толкать легче, потому что у нее колеса большего диаметра. работают как большие рычаги, увеличивая тянущее или толкающее усилие и делая колеса легче вращать вокруг оси — точно так же Таким образом, длинный гаечный ключ облегчает ослабление гайки.

Давайте рассмотрим обе эти вещи более подробно.

1. Трение переключения на ось

Когда вы толкаете тот же ящик, загруженный на тележку с четырьмя колесами, сопротивление намного меньше. Коробка больше не должна скользить землю так, чтобы часть трения исчезла.Однако колеса не устраняют трение полностью, как думают некоторые — это далеко не так! Между четырьмя колесами и землей должно быть трение, иначе они просто соскользнут (как будто что-то толкают по льду). Трение между каждым колесом и землей помогает ему «вкопаться», чтобы колесо могло вращаться.

Тележку толкать легче, потому что единственное реальное трение, с которым вам нужно работать, — это между четырьмя колесами и их осями. Когда вы толкаете тележку, относительно гладкие внутренние поверхности колес вращаются и скользят вокруг относительно гладких внешних сторон осей.Важное слово здесь — smooth ; Ключ к тому, как колеса уменьшают трение, заключается в том, что они могут плавнее скользить вокруг своих осей, чем объект может скользить по неровной поверхности. Если бы земля всегда была гладкой, как лед, нам вообще не понадобились бы колеса и оси — мы могли бы просто скользить и скользить везде! Иногда колеса и оси разделены шарикоподшипниками (маленькие сферические шарики из твердого металла, часто смазываемые маслом или консистентной смазкой), которые помогают еще больше уменьшить трение между двумя поверхностями, катаясь в пространстве между ними.Без подшипников или без них трение намного меньше, чем при толкании коробки прямо по земле, и поэтому тележка облегчает перемещение грузов:

2. Обеспечение кредитного плеча

Кто изобрел колесо?

Разработка колеса

Если вам понравилась эта статья…

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Для читателей постарше

Колеса: Иллюстрированная история Эдвина Туниса. Johns Hopkins University Press, 2002. Современное переиздание классической книги 1955 года, в которой показана история колес с древних времен до 20-го века.

Для младших читателей

Это дети в возрасте от 9 до 12 лет, если не указано иное:

«Изготовление машин с колесами и осями» Крис Окслейд.Raintree, 2015. Очень хорошее 32-страничное введение под руководством проекта для детей 7–9 лет, в котором колеса рассматриваются в более широком контексте простых машин.
Изобретение Лайонела Бендера. Д.К., 2013. Обзор классических изобретений в области механики, электрики и электроники, которые мы склонны принимать как должное. Довольно устаревший и с очень небольшим охватом современных изобретений, но все же разумный обзор древних технологий, включая различные типы колес.
Ричард Хаммонд «Все о физике». ДК, 2015.Более легкое и увлекательное введение в физику для такой же аудитории. (Переиздание более ранней книги под названием Можете ли вы почувствовать силу? .)
Wheel от Дэвида и Патриции Патрисии Арментроут. CATS, 2009. Простое (32 страницы) введение в колеса и принцип их работы.

Статьи

Простое знакомство

Приветствие колесу, Меган Гамбино, Смитсоновский институт, 17 июня 2009 г. Экскурсия по истории колес.
Переделка Колеса: Эволюция Колесницы Джона Нобла Уилфорда, The New York Times, 22 февраля 1994 г.Увлекательное введение в разработку колес со спицами и боевых колесниц из архива NY Times.

Более научный

Деятельность

Как работают колеса? | Колеса и оси

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 23 февраля 2021 г.

Колеса повсюду в нашем мире сегодня — в очень очевидных местах (на автомобилях, грузовиках и самолетах), но также спрятаны внутри всего от компьютерные жесткие диски и стиральные машины для электрические зубные щетки и посудомоечные машины.Шесть тысяч лет назад в все. Подъем колеса из простого проигрывателя, который помогал людям лепить глиняные горшки — ключевой компонент в сотнях важных изобретений. все простым и эффективным способом, который помогает нам запечатлеть и использовать энергию и преобразовывать силы. Давайте посмотрим внимательнее!

Фото: Колесо корабля: Колеса помогают транспортным средствам двигаться, передавая и уменьшая трение. (как мы объясним ниже), но они также работают как рычаги. Если вы так повернете внешнюю сторону колеса, ось в центре поворачивается медленнее, но с большей силой.Другими словами, большой штурвал помогает моряку поворачивать. судовой руль легче, чем маленькое колесо. Если представить, что каждая спица представляет собой рычаг, легко понять, как работает это колесо. Почему колесо не твердое? Толстые спицы обеспечивают большую прочность при меньшем весе по сравнению со сплошным колесом того же размера. Фото Шеннон Хевин любезно предоставлено ВМС США.

Зачем нужны колеса

В наше время мы предполагаем, что должны быть дороги, по которым колеса путешествовать по.Но колеса впервые стали использовать на тележках именно потому, что там не было ровных путей для надежной транспортировки. До изобретения тележек люди тащили грузы на санях и рамах. тянутся за животными, такими как лошади и собаки. Сани были эффективный способ перемещения тяжелых грузов до того, как колеса изобретены, но трение их тормозит. Рамы, в которые входит нагрузка перетащил и часть отнес, помогите решить эту проблему. А-образный перетаскивание рамки, известное как travois, как полагают, было изобретено тысячи лет назад, и коренные американцы использовали его до 19-го века. век.Даже с помощью животной силы трение между неровной землей и корпусом заставляло идет трудно.

Фото: Трение — не проблема, когда вы путешествуете по льду, как и пассажир. этой собачьей упряжке. Но сани не так хорошо двигаются по обычной местности: поэтому колеса были изобретены. Фото Джо Гольдманн, любезно предоставлено Службой охраны рыболовства и дикой природы США.

Как работают колеса?

Перетащить груз с помощью тележки на колесах — далеко легче, чем таскать его по земле — по двум причинам:

Колеса уменьшают трение.Вместо того, чтобы просто скользить по земле, колеса врезаются и вращаются, поворачиваясь вокруг прочных стержней, называемых осями. Это означает единственное трение животные должны преодолеть это в точке, где встречаются колесо и ось — между относительно гладкой внутренней поверхностью колес и одинаково гладкая внешняя поверхность осей вокруг которые они поворачивают.
обеспечивают рычаги (другими словами, они являются примерами мультипликаторов силы или простых механизмов). Тележку с большими колесами толкать легче, потому что у нее колеса большего диаметра. работают как большие рычаги, увеличивая тянущее или толкающее усилие и делая колеса легче вращать вокруг оси — точно так же Таким образом, длинный гаечный ключ облегчает ослабление гайки.

Давайте рассмотрим обе эти вещи более подробно.

1. Трение переключения на ось

Когда вы толкаете тот же ящик, загруженный на тележку с четырьмя колесами, сопротивление намного меньше. Коробка больше не должна скользить землю так, чтобы часть трения исчезла.Однако колеса не устраняют трение полностью, как думают некоторые — это далеко не так! Между четырьмя колесами и землей должно быть трение, иначе они просто соскользнут (как будто что-то толкают по льду). Трение между каждым колесом и землей помогает ему «вкопаться», чтобы колесо могло вращаться.

Тележку толкать легче, потому что единственное реальное трение, с которым вам нужно работать, — это между четырьмя колесами и их осями. Когда вы толкаете тележку, относительно гладкие внутренние поверхности колес вращаются и скользят вокруг относительно гладких внешних сторон осей.Важное слово здесь — smooth ; Ключ к тому, как колеса уменьшают трение, заключается в том, что они могут плавнее скользить вокруг своих осей, чем объект может скользить по неровной поверхности. Если бы земля всегда была гладкой, как лед, нам вообще не понадобились бы колеса и оси — мы могли бы просто скользить и скользить везде! Иногда колеса и оси разделены шарикоподшипниками (маленькие сферические шарики из твердого металла, часто смазываемые маслом или консистентной смазкой), которые помогают еще больше уменьшить трение между двумя поверхностями, катаясь в пространстве между ними.Без подшипников или без них трение намного меньше, чем при толкании коробки прямо по земле, и поэтому тележка облегчает перемещение грузов:

2. Обеспечение кредитного плеча

Кто изобрел колесо?

Разработка колеса

Если вам понравилась эта статья…

Узнать больше

На этом сайте

Книги

Для читателей постарше

Колеса: Иллюстрированная история Эдвина Туниса. Johns Hopkins University Press, 2002. Современное переиздание классической книги 1955 года, в которой показана история колес с древних времен до 20-го века.

Для младших читателей

Это дети в возрасте от 9 до 12 лет, если не указано иное:

«Изготовление машин с колесами и осями» Крис Окслейд.Raintree, 2015. Очень хорошее 32-страничное введение под руководством проекта для детей 7–9 лет, в котором колеса рассматриваются в более широком контексте простых машин.
Изобретение Лайонела Бендера. Д.К., 2013. Обзор классических изобретений в области механики, электрики и электроники, которые мы склонны принимать как должное. Довольно устаревший и с очень небольшим охватом современных изобретений, но все же разумный обзор древних технологий, включая различные типы колес.
Ричард Хаммонд «Все о физике». ДК, 2015.Более легкое и увлекательное введение в физику для такой же аудитории. (Переиздание более ранней книги под названием Можете ли вы почувствовать силу? .)
Wheel от Дэвида и Патриции Патрисии Арментроут. CATS, 2009. Простое (32 страницы) введение в колеса и принцип их работы.

Статьи

Простое знакомство

Приветствие колесу, Меган Гамбино, Смитсоновский институт, 17 июня 2009 г. Экскурсия по истории колес.
Переделка Колеса: Эволюция Колесницы Джона Нобла Уилфорда, The New York Times, 22 февраля 1994 г.Увлекательное введение в разработку колес со спицами и боевых колесниц из архива NY Times.

Более научный

Деятельность

ньютоновских механик — Почему крутятся колеса?

… почему равная и противоположная сила от земли не создает на колесе момент против часовой стрелки, который нейтрализует момент по часовой стрелке и, следовательно, не останавливает колесо от вращения, вместо того, чтобы заставлять машину двигаться вперед?

Верно! То есть момент на колесе от дороги (почти) останавливает угловое ускорение колеса.Описанный вами подход является стандартной практикой в понимании компонентов более сложных систем, как я объясню ниже, так что это хороший пример для решения этой проблемы.

Я уверен, что вы видели автомобильное колесо без трения о дорогу, например, на подъемнике, на льду или когда машина застряла в грязи. 2 $

$ a $ — это ускорение автомобиля

$ \ alpha $ — угловое ускорение колеса, поэтому $ \ alpha = a / R $

$ \ tau_A $ — крутящий момент, передаваемый двигателем на ось

Имейте в виду, что масса колеса намного меньше массы автомобиля, что-то вроде $ M = 100m $.Затем крутящий момент на оси должен как ускорять машину, так и заставлять колесо вращаться: $$ \ tau_A = I \ alpha + MaR $$ или $$ \ tau_A = ({m \ over2} + M) Ra $$

Итак, на приведенное выше уравнение можно взглянуть по-разному. Верно сказать, что часть крутящего момента оси $ \ tau_A $ идет на вращение колеса, а часть — на толкание автомобиля вперед. Но в равной степени правильно описать чистый крутящий момент на колесе, $ \ tau_ {NET} $, то есть крутящий момент оси за вычетом крутящего момента, вызванного силой реакции, $ MaR $ или $$ \ tau_ {NET} = \ tau_A — MaR = {m \ over2} Ra $$ То есть, если колесо собирается двигаться определенным образом (здесь есть ускорение $ a $), то чистый крутящий момент на колесе должен соответствовать этому движению, так что приятно видеть, что это так.Но для этого требуется понимание того, что вы описали, где сила реакции противодействует крутящему моменту привода.

Поскольку $ m \ ll {M} $, мы имеем $ \ tau_ {NET} \ ll {\ tau_A} $. То есть сила реакции почти полностью нейтрализует входной крутящий момент, оставляя на колесе лишь небольшой чистый крутящий момент. Это ожидаемо, поскольку колесо намного легче автомобиля. В результате колесо движется соответствующим образом, чтобы катиться с ускорением автомобиля, но оно вращается намного медленнее, чем если бы весь крутящий момент $ \ tau_A $ использовался исключительно для вращения колеса (например, на льду, так далее).Итак, вы правы в том, что сила реакции создает противодействующий крутящий момент, который отменяет крутящий момент привода и останавливает вращение колеса … это не полная отмена, а почти полная, , то есть , с точностью примерно до $ m / M $.

Между прочим, эта цепочка рассуждений на самом деле довольно распространена. Например, рассмотрим рычаг на опоре с грузом на одном конце. Когда рычаг поднимает массу, можно спросить: «Разве масса не обеспечивает силу реакции, которая заставляет рычаг не двигаться?»; и вы можете проанализировать всю систему (рычаг + масса), или вы можете просто взглянуть на рычаг и обнаружить, что масса действительно обеспечивает силу реакции, но когда вы полностью ее проработаете, на рычаге будет как раз достаточно чистой силы, чтобы позволить этому двигаться.

В целом, этот подход важен при сравнении компонентов как частей системы по отдельности. В частности, силы, которые были силами действия (где, скажем, часть A толкает в часть B), становятся силами реакции, когда часть изолирована (где теперь считается, что сила, действующая на A со стороны B, удерживает ее на месте — как это было бы у B, но теперь он удален) и т. д. (Кроме того, третий закон Ньютона является ключом к пониманию этих изолированных ситуаций и является стандартной практикой и пониманием, поэтому мне не нравится другой ответ, в котором говорится, что 3-й закон не является правильный образ мышления.Это совершенно правильный образ мышления, и нужно просто последовательно его прорабатывать.)

Крутящий момент

— Ньютоновская механика — Как катится что-то вроде автомобильного колеса?

Хорошо, пожалуйста, потерпите меня, и это почти наверняка действительно глупый вопрос, отчасти потому, что я не совсем знаю, как его задать.

Когда у вас есть колесо, например, прикрепленное к автомобилю, к нему прилагается крутящий момент от двигателя. Насколько я понимаю, колесо скользило бы по дороге, и автомобиль не двигался бы, если бы не статическое трение, которое, конечно же, является концепцией качения без проскальзывания.

Проблемы, с которыми я сталкиваюсь, возникают, когда я рассматриваю величину силы, действующей на дорогу от колеса, или, в частности, равную и противоположную силу, прилагаемую к колесу со стороны дороги посредством статического трения. Причина этого в том, что я хочу сказать, что это просто крутящий момент, прилагаемый к колесу двигателем, деленный на радиус колеса, но это, кажется, приводит к нелепому выводу. Если я следую этой логике, то равная и противоположная сила, прилагаемая к колесу со стороны дороги, умноженная на радиус колеса для получения противодействующего крутящего момента, равна крутящему моменту, прилагаемому к колесу двигателем, но в противоположном случае. направление.Это, конечно, будет означать, что нет чистого крутящего момента, и колеса никогда не будут двигаться (если только сила не будет больше, чем сила статического трения, но тогда она просто проскользнет), что означает, что автомобиль никогда не сможет двигаться! Проще говоря, чего мне не хватает, что почти наверняка смотрит мне в глаза (снова)? Ясно, что все катится и машины движутся, так что я знаю, что я где-то ужасно и досадно ошибаюсь.

Кроме того, я часто слышу, как люди говорят, что статическое трение — это сила, ответственная за движение автомобиля вперед.Как это происходит, когда он действует в направлении, противоположном направлению, в котором колеса пытаются катиться? Это своего рода тот же вопрос, но я думаю, что он может помочь высветить мое непонимание вращательного движения в этой области.

Никогда не знал, что колеса могут быть такими сложными! По крайней мере, для меня.

ньютоновских механик — Что заставляет колесо крутиться?

Долгое время меня это приводило в недоумение, и даже когда люди давали объяснения, их объяснения казались неприятными.

Вот то, что я обнаружил, было полезно для моего личного понимания. Это немного беспорядочно, но я думаю, что это действительно помогает.

Если я помещаю мяч в пространство и бросаю его, он летит прямо:

Если я привяжу его к массе, которая намного тяжелее его, он вместо этого будет вращаться по кругу вокруг себя.

То же самое произойдет, если я соединю два камня одинаковой массы и толкну один конец:

Это, для меня, секрет катания.Если две массы склеены вместе, когда вы толкаете одну (в направлении на изображении), вторая масса толкается в противоположном направлении. Всего один буксир доводит его до , а до — вечно.

Теперь мы можем легко превратить это в наше «колесо», просто добавив больше массы. Я полагаю, вы собираетесь предположить, что система будет иметь эти особые свойства вращения, если я добавлю больше блоков с противоположных сторон:

Фактически, единственное, что имеет значение, как мы уже сказали, это то, что все имеет одинаковую массу и находится на равных расстояниях друг от друга.На самом деле, я могу просто соединить все массы вместе, и тогда они будут заблокированы, на месте, и будут вынуждены вести себя так же. Если я это сделаю, то получу что-то вроде этого:

Ключ к хорошей интуиции — думать о своем колесе как о кучке склеенных вместе камней. В этом случае, просто давая одну из наших «скал», мы можем получить целиком, от до , вращаться вечно . Мы называем это причудливым названием «угловой момент», и я думаю, что часто не объясняем, что это просто то, что происходит, когда что-то «склеивается», как в этом примере.

Когда что-то мешает одному концу этой вращающейся массы, остальная часть все еще хочет двигаться! Поэтому, если ваша вращающаяся масса ударится о неровность, она развернется в этой точке остановки:

В корпусе колеса небольшие крохотные изменения формы земли отталкиваются от слипшихся масс, и в результате верхняя половина движется, а нижняя — нет. Преимущество здесь по сравнению с предыдущим случаем состоит в том, что эти крошечные неровности можно сделать настолько маленькими, что наше колесо цепляется за землю, как шестерня, и использует ее для отталкивания.Потери из-за трения о шестерню очень малы по сравнению с простым толчком плоского камня о землю (у которого вся поверхность контакта камня с землей заблокирована, как шестерня, как показано в ответе Александра). В конце концов, ключ в том, что наши массы, сцепленные вместе, позволяют нам превратить линейную инерцию в «вечное вращение», если у нас очень-очень плоский контакт с землей (но некоторая «взаимосвязь», чтобы мы могли оттолкнуться от нее), тогда мы можем более эффективно превратить это «вечное вращение» обратно в линейное движение!

Лично я думаю, что колесо так сильно окружает нас, что трудно сделать шаг назад и задаться вопросом: «Что такого хорошего в качении?» Но на самом деле — это довольно «неестественная» и неинтуитивная вещь, по крайней мере, по природе.