Eugene è un qualificato ingegnere di controllo/strumentazione Bsc (Eng) e ha lavorato come sviluppatore di elettronica& software per sistemi SCADA.

La ruota e l’asse — Una delle sei macchine semplici classiche

Le ruote sono ovunque nella nostra moderna società tecnologica, ma sono state utilizzate anche fin dall’antichità. Il luogo si hanno più probabilità di vedere una ruota è su un veicolo o rimorchio, ma ruote sono utilizzati per una varietà di altre applicazioni. Sono ampiamente utilizzati in macchine sotto forma di ingranaggi, pulegge, cuscinetti, rulli e cerniere. La ruota si basa sulla leva per ridurre l’attrito.,
La ruota e l’asse sono una delle sei macchine classiche semplici definite dagli scienziati rinascimentali, che comprende anche la leva, la puleggia, il cuneo, il piano inclinato e la vite.

Prima di leggere questa spiegazione che diventa un po ‘ tecnica, sarebbe utile leggere un altro articolo correlato che spiega le basi della meccanica.,
Forza, massa, accelerazione e come comprendere le leggi del moto di Newton

La storia delle ruote

era improbabile che fossero state inventate da una sola persona e probabilmente sviluppate in molte civiltà indipendentemente nel corso dei millenni. Possiamo solo immaginare come sia successo. Forse qualche scintilla luminosa notò quanto fosse facile far scorrere qualcosa sul terreno con ciottoli di pietra arrotondati su di esso, o osservò come facilmente i tronchi degli alberi potessero essere arrotolati, una volta abbattuti. Le prime” ruote ” erano probabilmente rulli fatti da tronchi d’albero e posizionati sotto carichi pesanti., Il problema con i rulli è che sono lunghi e pesanti e devono essere continuamente riposizionati sotto il carico, quindi l’asse doveva essere inventato per tenere un disco più sottile, effettivamente una ruota, in posizione. Le prime ruote erano probabilmente fatte di pietra o tavole piatte unite insieme nella forma di un disco.

Momento di una forza

Per capire come funzionano ruote e leve, dobbiamo capire il concetto di momento di una forza. Il momento di una forza su un punto è la grandezza della forza moltiplicata per la distanza perpendicolare dal punto alla linea della forza.,

Perché le ruote rendono più facile spingere le cose?

Tutto si riduce a ridurre l’attrito. Quindi immagina se hai un peso pesante appoggiato a terra. La terza legge di Newton afferma che “Per ogni azione, c’è una reazione uguale e opposta”. Quindi, quando si tenta di spingere il carico, la forza trasmette attraverso il carico alla superficie su cui poggia., Questa è l’azione. La reazione corrispondente è la forza di attrito che agisce all’indietro e dipende sia dalla natura delle superfici in contatto che dal peso del carico. Questo è noto come attrito statico o stiction e si applica alle superfici asciutte a contatto. Inizialmente la reazione corrisponde all’azione in grandezza e il carico non si muove, ma alla fine se si spinge abbastanza forte, la forza di attrito raggiunge un limite e non aumenta ulteriormente. Se si spinge di più, si supera la forza di attrito limitante e il carico inizia a scivolare., La forza di attrito tuttavia continua ad opporsi al movimento (si riduce un po ‘ una volta che il movimento inizia), e se il carico è molto pesante e / o le superfici a contatto hanno un alto coefficiente di attrito, può essere difficile farlo scorrere.
Ruote eliminare questa forza di attrito utilizzando leva e un asse. Hanno ancora bisogno di attrito in modo che possano “spingere indietro” sul terreno su cui rotolano, altrimenti si verifica uno slittamento. Questa forza tuttavia non si oppone al movimento o rende più difficile il rotolamento della ruota.,

Pushing a Cart With a Load – Wheels Make it Easier

How Do Wheels Work?,

Analisi della ruota a causa di una forza sull’asse

Questa analisi si applica all’esempio precedente in cui la ruota è soggetta a una forza o sforzo F sull’asse.

Fig. 1

Una forza che agisce sull’asse, il cui raggio è d.

Fig. 2

Due nuove forze uguali ma opposte vengono introdotte dove la ruota incontra la superficie., Questa tecnica di aggiungere forze fittizie che si annullano a vicenda è utile per risolvere i problemi.

Fig. 3

Quando due forze agiscono in direzioni opposte, il risultato è noto come coppia e la sua grandezza è chiamata coppia. Nel diagramma, le forze aggiunte risultano in una coppia più una forza attiva in cui la ruota incontra la superficie., La grandezza di questa coppia è la forza moltiplicata per il raggio della ruota.

Quindi Coppia Tw = Fd.

Fig. 4

Un sacco sta succedendo qui! Le frecce blu indicano le forze attive, il viola le reazioni. La coppia Tw che ha sostituito le due frecce blu, agisce in senso orario., Di nuovo la terza legge di Newton entra in gioco e c’è una coppia reattiva limitante Tr all’asse. Ciò è dovuto all’attrito causato dal peso sull’asse. La ruggine può aumentare il valore limite, la lubrificazione lo riduce.

Un altro esempio di questo è quando si tenta di annullare un dado che è arrugginito su un bullone. Si applica una coppia con una chiave inglese, ma la ruggine lega il dado e agisce contro di voi. Se si applica una coppia sufficiente, si supera la coppia reattiva che ha un valore limite. Se il dado è completamente afferrato e si applica troppa forza, il bullone si strizzerà.,

In realtà le cose sono più complicate e c’è una reazione aggiuntiva dovuta al momento dell’inerzia delle ruote, ma non complichiamo le cose e supponiamo che le ruote siano senza peso!

• Il peso che agisce sulla ruota a causa del peso del carrello è W.
• La reazione alla superficie del terreno è Rn = W
• C’è anche una reazione all’interfaccia ruota/superficie a causa della forza F che agisce in avanti. Questo non si oppone al movimento, ma se è insufficiente, la ruota non girerà e scivolerà. Questo è uguale a F e ha un valore limite di Ff = uRn.,

Fig., 5

Vengono nuovamente mostrate le due forze che producono la coppia Tw. Ora puoi vedere che questo assomiglia a un sistema a leva come spiegato sopra. F agisce sulla distanza d e la reazione all’asse è Fr.
La forza F è ingrandita sull’asse ed è mostrata dalla freccia verde. La sua grandezza è:

Fe = F (d/a)

Poiché il rapporto tra il diametro della ruota e il diametro dell’asse è grande , cioè d / a, la forza minima F richiesta per il movimento è proporzionalmente ridotta. La ruota funziona efficacemente come una leva, ingrandendo la forza sull’asse e superando il valore limite della forza di attrito Fr., Si noti anche per un dato diametro dell’asse a, se il diametro della ruota è reso più grande, Fe diventa più grande. Quindi è più facile spingere qualcosa con ruote grandi che con ruote piccole perché c’è una forza maggiore sull’asse per superare l’attrito.

Che è Meglio, Ruote Grandi o Piccole Ruote?,

Poiché

Coppia = Forza sull’asse x Raggio della ruota

per una data forza sull’asse, la coppia che agisce sull’asse è maggiore per ruote più grandi. Quindi l’attrito sull’asse è notevolmente superato, e quindi è più facile spingere qualcosa con ruote più grandi. Anche se la superficie su cui rotola la ruota non è molto piatta, ruote di diametro maggiore tendono a colmare le imperfezioni, il che riduce anche lo sforzo richiesto.,

Quando una ruota è azionata da un asse, poiché

Coppia = Forza all’asse x Raggio della ruota

quindi

Forza all’asse = Coppia/Raggio della ruota

Quindi per una coppia motrice costante, ruote di diametro inferiore producono uno sforzo di trazione maggiore sull’asse rispetto alle ruote più grandi. Questa è la forza che spinge un veicolo.

Domande & Risposte

Domanda: In che modo una ruota riduce lo sforzo?

Risposta: Rimuove l’attrito cinetico che si oppone al movimento in avanti quando un oggetto viene fatto scorrere e lo sostituisce con l’attrito al battito dell’asse/ruota., Aumentando il diametro della ruota si riduce questo attrito proporzionalmente.