Eugeneは修飾された制御/器械使用エンジニアBsc(Eng)であり、電子工学の開発者として働いた&SCADAシステムのためのソフトウェア。

ホイールと車軸—六つの古典的な単純なマシンの一つ

ホイールは、私たちの現代の技術社会のどこにでもありますが、彼らはまた、古 あなたが車輪を見て本当らしい場所は車かトレーラーにありますが、車輪は他のいろいろな適用のために使用されます。 それらはギヤ、滑車、軸受け、ローラーおよび蝶番の形で機械で広く利用されています。 車輪はレバーに摩擦を減らすために頼る。,
車輪と車軸は、ルネサンスの科学者によって定義された六つの古典的な単純な機械の一つであり、レバー、プーリー、くさび、傾斜面、ねじも含まれています。

少し技術的になるこの説明を読む前に、力学の基礎を説明する別の関連記事を読むと役に立ちます。,
力、質量、加速度と運動のニュートンの法則を理解する方法

ホイールの歴史

ホイールは、ただ一人によって発明された可能性は低く、おそらく千年以上にわたって独立して多くの文明で開発された可能性がありました。 したことが想像できそうです。 たぶん、いくつかの明るい火花は、それがその上に丸い石の小石で地面の上に何かをスライドさせることがいかに簡単であるかに気づいたか、また 最初の”車輪”は、おそらく木の幹から作られ、重い負荷の下に配置されたローラーでした。, ローラーの問題は、ローラーが長くて重く、負荷の下で継続的に再配置されなければならないため、より薄いディスク、効果的に車輪を所定の位置に保持するために車軸を発明しなければならなかったことである。 初期の車輪は、おそらく石や平らな板から作られたディスクの形に一緒に結合されました。

力のモーメント

車輪とレバーがどのように機能するかを理解するには、力のモーメントの概念を理解する必要があります。 ある点についての力のモーメントは、その力の大きさにその点からその力の線までの垂直距離を掛けたものです。,

なぜ車輪は物事をプッシュしやすくするのですか？

それはすべて摩擦を減らすことに帰着します。 あなたが地面に重い体重を置いているかどうか想像してみてください。 ニュートンの第3法則は、”すべての行動に対して、等しく反対の反応がある”と述べている。 したがって、荷重を押しようとすると、力は荷重を通ってそれがかかっている表面に伝達されます。, これがアクションです。 対応する反応は、後方に作用する摩擦力であり、接触する表面の性質および荷重の重量の両方に依存する。 これは静的な摩擦かstictionとして知られ、接触の乾燥した表面に適用します。 最初は反応が大きさで作用と一致し、荷重は動かないが、最終的には十分に強く押すと摩擦力は限界に達し、それ以上増加しない。 より強く押せば、制限摩擦力を超過し、負荷は滑り始めます。, しかし、摩擦力は動きに反対し続け（動きが始まると少し減ります）、荷重が非常に重い場合や接触面が摩擦係数が高い場合は、滑りにくい場合があり
車輪はレバレッジと車軸を使用することによってこの摩擦力を排除する。 彼らはまだ彼らが転がる地面に”押し戻す”ことができるように摩擦を必要とします、そうでなければ滑りが起こります。 しかし、この力は動きに反対したり、車輪が転がるのをより困難にしたりしません。,

Pushing a Cart With a Load – Wheels Make it Easier

How Do Wheels Work?,

車軸の力による車輪の解析

この解析は、車輪が車軸の力または労力Fの影響を受ける上記の例に適用されます。

図。 1

半径がdの車軸に力が作用します。

図。 2

ホイールが表面を満たすところに二つの新しい等しいが反対の力が導入されています。, 互いを打ち消す架空の力を加えるこの技術は、問題を解決するのに有用である。

図。 3

二つの力が反対方向に作用するとき、その結果はカップルとして知られ、その大きさはトルクと呼ばれます。 図では、追加された力は、ホイールがサーフェスに会うアクティブな力とカップルになります。, このカップルの大きさは、力に車輪の半径を掛けたものです。

だからトルクTw=Fd。

図。 4

ここではたくさんのことが起こっています！ 青い矢印は活性力を示し、紫色は反応を示します。 二つの青い矢印を置き換えたトルクTwは、時計回りに動作します。, 再びニュートンの第三法則が遊びに来て、車軸に制限反応性トルクTrがあります。 これは車軸の重量によって引き起こされる摩擦によるものです。 錆は制限値を増加させることができ、潤滑はそれを減少させる。

これのもう一つの例は、ボルトに錆びているナットを元に戻そうとするときです。 あなたはレンチでトルクを適用しますが、錆はナットを結合し、あなたに対して作用します。 十分なトルクを加えると、制限値を持つ反応トルクを克服します。 ナットが完全に握られ、たくさんの力を加えれば、ボルトは絞ります。,

現実には、物事はより複雑であり、車輪の慣性の瞬間による追加の反応がありますが、物事を複雑にせず、車輪が無重力であると仮定しましょう！

• カートの重量によって車輪に作用する重量はWです。
• 地面での反応はRn=Wです。
• 車輪/表面界面でも、前方に作用する力Fによる反応があります。 これは動きに反対しませんが、それが不十分なら、車輪は回らないし、滑ります。 これはFに等しく、Ff=uRnの制限値を持ちます。,

Fig., 5

トルクTwを生成する二つの力が再び示されています。 これは上記のようにレバーシステムに似ています。 Fは距離dに作用し、車軸での反応はFrである。
力Fは車軸で拡大され、緑色の矢印で示されています。 その大きさは次のとおりである：

Fe=F（d/a）

車軸直径に対する車輪直径の比が大きいので、すなわちd/a、移動に必要な最小力Fは比例的に減少する。 車輪は車軸で力を拡大し、摩擦力Frの限界値を克服するレバーとして効果的に働きます。, 注意また、与えられた車軸径aについては、車輪径を大きくするとFeが大きくなります。 だから、摩擦を克服するために車軸に大きな力があるので、小さな車輪よりも大きな車輪で何かを押す方が簡単です。

どちらが良いですか、大きな車輪または小さな車輪？,

以来

トルク=車軸の力x車輪の半径

車軸で与えられた力のために、車軸に作用するトルクは、より大きな車輪のために大きくなります。 したがって、車軸の摩擦は大幅に克服されるため、より大きな車輪で何かを押す方が簡単です。 また車輪が転がる表面が非常に平らでなければ、大口径の車輪はまた必要な努力を減らす欠陥を繋ぎがちです。,

車輪が車軸によって駆動されるとき、

トルク=車軸での力x車輪の半径

したがって

車軸での力=車輪のトルク/半径

したがって、一定の駆動トルクのために、小さい直径の車輪は、より大きな車輪よりも車軸での大きな牽引力を生じる。 これは車両を押す力です。

質問&回答

質問：ホイールはどのように労力を減らしますか？

答え：物体が滑ったときに前方の動きに反対する運動摩擦を取り除き、車軸/車輪の鼓動で摩擦に置き換えます。, ホイールの直径を大きくすると、この摩擦が比例して減少します。