Eugene jest dyplomowanym inżynierem sterowania/oprzyrządowania Bsc (Eng) i pracował jako twórca elektroniki & oprogramowanie dla systemów SCADA.

Koło i oś — jedna z sześciu klasycznych prostych maszyn

koła są wszędzie w naszym nowoczesnym społeczeństwie technologicznym, ale były również używane od czasów starożytnych. Miejsce, w którym najprawdopodobniej zobaczysz koło, znajduje się w pojeździe lub przyczepie, ale koła są używane do wielu innych zastosowań. Są one szeroko stosowane w maszynach w postaci kół zębatych, kół pasowych, łożysk, rolek i zawiasów. Koło opiera się na dźwigni, aby zmniejszyć tarcie.,
koło i oś są jedną z sześciu klasycznych prostych maszyn zdefiniowanych przez renesansowych naukowców, w skład których wchodzą również dźwignia, koło pasowe, klin, płaszczyzna pochyła i śruba.

zanim przeczytasz to wyjaśnienie, które staje się nieco techniczne, dobrze byłoby przeczytać inny powiązany artykuł, który wyjaśnia podstawy mechaniki.,
Siła, Masa, przyspieszenie i jak rozumieć prawa ruchu Newtona

Historia koła

koła prawdopodobnie nie zostały wynalezione przez jedną osobę i prawdopodobnie rozwinęły się w wielu cywilizacjach niezależnie na przestrzeni tysiącleci. Możemy sobie tylko wyobrazić, jak to się stało. Może jakaś jasna Iskra zauważyła, jak łatwo jest zsuwać coś po ziemi z zaokrąglonymi kamykami, lub zaobserwowała, jak łatwo można zwijać pnie drzew, po ich ścięciu. Pierwsze „koła” były prawdopodobnie wałkami wykonanymi z pni drzew i umieszczonymi pod dużym obciążeniem., Problem z rolkami polega na tym, że są długie i ciężkie i muszą być stale ustawiane pod obciążeniem, więc oś musiała zostać wymyślona, aby utrzymać cieńszy dysk, skutecznie koło, w miejscu. Wczesne koła były prawdopodobnie wykonane z kamienia lub płaskich desek połączonych ze sobą w formie dysku.

Moment siły

aby zrozumieć jak działają koła i dźwignie, musimy zrozumieć pojęcie momentu siły. Moment siły wokół punktu jest wielkością siły pomnożoną przez odległość prostopadłą od punktu do linii siły.,

dlaczego koła ułatwiają pchanie rzeczy?

wszystko sprowadza się do zmniejszenia tarcia. Wyobraź sobie więc, że masz ciężki ciężar spoczywający na ziemi. Trzecie prawo Newtona mówi, że „dla każdego działania istnieje reakcja równa i przeciwna”. Więc kiedy próbujesz wcisnąć ładunek, Siła przenosi się przez ładunek na powierzchnię, na której się opiera., To jest akcja. Odpowiadającą jej reakcją jest siła tarcia działająca do tyłu i zależna zarówno od charakteru stykających się powierzchni, jak i ciężaru ładunku. Jest to znane jako tarcie statyczne lub przyklejenie i dotyczy suchych powierzchni stykających się. Początkowo reakcja odpowiada sile działania, a obciążenie nie porusza się, ale ostatecznie, jeśli naciskasz wystarczająco mocno, siła tarcia osiąga granicę i nie zwiększa się dalej. Jeśli naciskasz mocniej, przekraczasz ograniczającą siłę tarcia i obciążenie zaczyna się przesuwać., Siła tarcia jednak nadal przeciwstawia się ruchowi (zmniejsza się nieco po rozpoczęciu ruchu), a jeśli obciążenie jest bardzo ciężkie i / lub powierzchnie stykające się z nim mają wysoki współczynnik tarcia, może być trudne do zsunięcia.
koła eliminują tę siłę tarcia za pomocą dźwigni i osi. Nadal potrzebują tarcia, aby mogły „odepchnąć” ziemię, na której się toczą, w przeciwnym razie następuje poślizg. Siła ta jednak nie przeciwstawia się ruchowi ani nie utrudnia toczenia się koła.,

Pushing a Cart With a Load – Wheels Make it Easier

How Do Wheels Work?,

Analiza koła pod wpływem siły na oś

analiza ta ma zastosowanie do powyższego przykładu, w którym koło jest narażone na siłę lub wysiłek F na oś.

rys. 1

siła działa na oś, której promień wynosi d.

rys. 2

wprowadza się dwie nowe równe, ale przeciwne siły tam, gdzie koło styka się z powierzchnią., Ta technika dodawania fikcyjnych sił, które wzajemnie się eliminują, jest przydatna do rozwiązywania problemów.

rys. 3

gdy dwie siły działają w przeciwnych kierunkach, wynik jest znany jako para, a jej wielkość nazywa się momentem obrotowym. Na diagramie siły dodane dają parę plus siłę aktywną, gdy koło styka się z powierzchnią., Wielkość tej pary to siła pomnożona przez promień koła.

czyli moment obrotowy Tw = Fd.

rys. 4

dużo się tu dzieje! Niebieskie strzałki wskazują aktywne siły, fioletowe reakcje. Moment obrotowy Tw, który zastąpił dwie niebieskie strzałki, działa zgodnie z ruchem wskazówek zegara., Ponownie wchodzi w grę trzecie prawo Newtona i istnieje ograniczenie reaktywnego momentu obrotowego Tr na osi. Jest to spowodowane tarciem spowodowanym ciężarem na osi. Rdza może zwiększyć wartość graniczną, smarowanie ją zmniejsza.

Innym przykładem jest próba odkręcenia nakrętki, która jest zardzewiała na śrubę. Przykładasz moment obrotowy kluczem, ale rdza wiąże nakrętkę i działa przeciwko tobie. Jeśli zastosujesz wystarczającą ilość momentu obrotowego, pokonasz reaktywny moment obrotowy, który ma wartość graniczną. Jeśli nakrętka zostanie dokładnie zaciśnięta i zastosujesz zbyt dużą siłę, śruba się wykręci.,

w rzeczywistości rzeczy są bardziej skomplikowane i istnieje dodatkowa reakcja ze względu na moment bezwładności kół, ale nie komplikujmy rzeczy i zakładajmy, że koła są nieważkie!

• ciężar działający na koło ze względu na ciężar wózka wynosi W.
• reakcja na powierzchni podłoża wynosi Rn = w
• istnieje również reakcja na styku koło/powierzchnia z powodu siły F działającej do przodu. Nie sprzeciwia się to ruchowi, ale jeśli jest niewystarczający, koło nie obróci się i się ześlizgnie. Jest równa F i ma wartość graniczną FF = uRn.,

Fig., 5

dwie siły, które wytwarzają moment obrotowy Tw są pokazane ponownie. Teraz widać, że przypomina to układ dźwigni, jak wyjaśniono powyżej. F działa na odległość d, A Reakcja na oś to Fr.
siła F jest powiększona na osi i jest pokazana zieloną strzałką. Jego wielkość wynosi:

Fe = F (d/a)

ponieważ stosunek średnicy koła do średnicy osi jest duży , tj. d/a, minimalna siła f wymagana do ruchu jest proporcjonalnie zmniejszona. Koło skutecznie działa jako dźwignia, powiększając siłę na osi i pokonując wartość graniczną siły tarcia Fr., Zauważ również dla danej średnicy osi a, jeśli średnica koła jest większa, Fe staje się większa. Więc łatwiej jest popchnąć coś z dużymi kołami niż małe koła, ponieważ istnieje większa siła na osi, aby przezwyciężyć tarcie.

co jest lepsze, duże koła czy małe koła?,

ponieważ

moment obrotowy = siła na osi X promień koła

dla danej siły na osi, moment obrotowy działający na oś jest większy dla większych kół. Tak więc tarcie na osi jest znacznie pokonane, a zatem łatwiej jest popchnąć coś z większymi kołami. Również jeśli powierzchnia, po której toczy się koło, nie jest bardzo płaska, koła o większej średnicy mają tendencję do niwelowania niedoskonałości, co również zmniejsza wymagany wysiłek.,

gdy koło jest napędzane przez oś, ponieważ

moment obrotowy = siła na osi x promień koła

dlatego

siła na osi = moment obrotowy/promień koła

Tak więc dla stałego momentu napędowego koła o mniejszej średnicy wytwarzają większy wysiłek pociągowy na oś niż większe koła. Jest to siła, która popycha pojazd.

pytania & odpowiedzi

pytanie: w jaki sposób koło redukuje wysiłek?

odpowiedź: usuwa tarcie kinetyczne, które sprzeciwia się ruchowi do przodu, gdy obiekt jest ślizgany i zastępuje je tarciem przy uderzeniu osi / koła., Zwiększenie średnicy koła proporcjonalnie zmniejsza to tarcie.