История создания колеса: кто его изобрел, загадки и гипотезы

Алан-э-Дейл       30.04.2022 г.

Изготовление каркаса водяного колеса

Изготовление колеса начинаем с каркаса, который состоит из двух колец (обода) и диагоналей, скрепляющих фрагменты кольца и придающих жесткость всей конструкции.

Кольца изготавливаем из доски 30 х 200 мм. Каждое кольцо состоит из восьми дуг (частей), а на два кольца нам потребуется изготовить шестнадцать таких деталей. Вот чертеж дуги с точными размерами.

Ширина дуги получается 134 мм, такой размер получился в результате минимизирования затрат на стройматериалы, доска шириной 200 мм популярна и вы ее без труда найдете на любом рынке или в магазине. Также можно применить доску другой толщиной, если не будет 30 мм, смело берите толщиной 25 мм, ее прочности вполне хватит и облегчит конструкцию, я просто перестраховывался.

Для изготовления дуг, сделайте точный шаблон из картона или жести, проще вымерить и вычертить один раз на шаблоне, а затем переносить на все заготовки. Для выпиливания дугообразных сторон используйте лобзик. Торцевые стороны должны быть ровными, для плотного прилегания дуг друг к другу, поэтому их отрезайте торцовочной или отрезной дисковой пилой.

После изготовления дуг, выложите их на ровной поверхности, должно получиться кольцо, если стыки плохо совпадают, подгоните их немного, но это не столь важно, самое главное, чтобы кольцо имело правильную круглую форму, а для проверки этого, где бы вы ни промерили диагональ, размер диаметра должен быть один и тот же

Скрепите их саморезами как показано на эскизе:

Но не перемещайте кольцо, нет жесткости, необходимо изготовить и прикрутить диагонали, сейчас и займемся их изготовлением. Диагонали изготавливаем из бруса 30 х 70 мм. Для двух колец нам понадобится 4 штуки длинных по 2 м  и 8 штук коротких по 1 метру (всего 16 м.п.). Длинные изготавливаем, отпиливая до размера 2000 мм, а затем запиливаем в средине для стыковки друг с другом как на чертеже:

Короткие изготавливаем согласно чертежа, 8 шт:

Длинные стыкуем и скручиваем между собой, но подальше от средины, там мы будем потом просверливать отверстие диаметром 30 мм.

Прикладываем сначала длинные диагонали к кольцу так, чтобы диагонали перекрывали стык дуг, и стык дуг был посредине диагонали. Не спешите прикручивать, перепроверьте, что бы все было ровно и симметрично, от этого зависит правильность конструкции. Прикрутите длинные диагонали к кольцу несколькими саморезами, попозже укрепим болтами.

Так же присоединяем короткие диагонали и наживляем их при помощи саморезов.

Затем изготавливаем четыре крепежные пластины, которые усилят конструкцию. Металл применяем не менее 2 мм. Вырезаем болгаркой до нужного размера и высверливаем отверстия для болтов согласно чертежу:

Далее необходимо прикрутить пластины, но для этого опять промериваем все диагонали. Прикладываем пластину, центральное отверстие в пластине должно быть ровно по центру круга, просверливаем отверстия в диагоналях через пластину по одному, чтобы не сбить центровку, прикладываем с другой стороны пластину и скручиваем болтами.

После того как скрутили пластины, просверливаем отверстия для болтов в местах крепления диагоналей с кольцами, по два болта в один конец, как на эскизе:

Далее просверливаем отверстие в средине диагоналей через металлическую пластину диаметром 30 мм.

Все то же самое со вторым кольцом. Все, каркас готов, теперь его можно двигать и перемещать.

Чтобы проверить правильность сборки, оденьте каркас на что-нибудь и крутаните, должно крутиться ровно без больших биений.

История изобретения колеса

Около 6000 лет назад люди стали использовать механизмы, позволяющие перетаскивать тяжелый груз – волокуши и катки. Волокуша состояла из двух длинных жердей, передние концы которых с помощью кожаных ремней прикреплялись к упряжи лошади или оленя, а задние свободно волочились по земле.

Для закрепления груза между задними концами волокуши устанавливали одну или две поперечины. Для того чтобы перетаскивать особо тяжелые предметы, такие как каменные глыбы или, скажем, лодки, под ними устраивали катки, подкладывали круглые бревна.

Когда предмет удавалось передвинуть, бревна оставались позади него, и их переносили и ставили перед грузом, чтоб двигать его дальше. Возможно, тогда же были сделаны первые наблюдения над свойствами вращающихся тел, ведущие к изобретению собственно колеса.

Например, если бревно-каток по какой-то причине в центре было тоньше, чем по краям, оно передвигалось под грузом более равномерно. Заметив это, люди стали умышленно обжигать катки таким образом, что средняя часть становилась тоньше, а боковые оставались неизменными.

Таким образом, получилось приспособление, которое является прообразом оси с двумя насаженными на ее концы дисками.

В ходе дальнейших усовершенствований от цельного бревна остались только два валика на его концах, а между ними появилась ось.

Так было изобретено колесо, и появилась первая повозка. Пожалуй, трудно найти другое открытие, которое дало бы такой мощный толчок развитию техники.

Повозка, гончарный круг, ветряная мельница, водяной подъемник и блок – вот далеко не полный перечень устройств, в основе которых лежит колесо. Использование колеса для археологов является показателем развития цивилизации.

Однако массивное сплошное колесо не позволяло повозке развивать большую скорость. И как не раз бывало в истории человечества, войны стимулировали стремительный прорыв в развитии техники.

За следующие 3000 лет тяжелые колесные повозки, запряженные волами и предназначенные для транспортировки грузов, превратились в быстроходные и маневренные боевые колесницы, запряженные лошадьми.

Стала более совершенной и конструкция колес: появились легкие колеса со спицами, ступицей и гнутым ободом.

Другие цивилизации самостоятельно пришли к изобретению колеса. В Китае колесо было изобретено около 2800 г. до н. э., а приблизительно в 100 г. до н. э. китайцы придумали тачку.

В Европе тачка была изобретена на много веков позже. Изображение тачки есть на витражах XIII в. в Шартрском соборе во Франции.

В 4-3 веках до н. э. греки стали использовать колеса не в транспортных средствах, а в механизмах они изобрели зубчатую передачу и грузоподъемный блок.

Примерно с 85 г. до н. э. стали применять и водяное колесо, позволившее использовать энергию воды для работы тяжелых жерновов.

Китайцы изобрели колесо со спицами для прялки между 500 и 1000 гг. до н. э. Такое же изобретение было сделано в Европе в начале 13 века.

Колесо прялки было вариантом маховика. Оно вращало веретено, которое позволяло сучить нить из волокна во много раз быстрее, чем вручную. Маховик сыграл важную роль в эпоху индустриальной революции.

Маховик присоединили к поршням парового двигателя, и он преобразовывал энергию пара во вращательное механическое движение, которое заставило двигаться станки на фабриках, молоть муку мельницы и ездить по рельсам паровозы.

Толчком к изобретению колеса телеги мог послужить и гончарный круг, появившийся за несколько веков до телеги. Некоторые народы пользуются им до сих пор.

При ручной лепке сосудов подставку, на которой они стоят, необходимо время от времени поворачивать. Для облегчения вращения подставки неизвестный гончар догадался укрепить ее на оси. Вскоре он заметил, что при быстром вращении подставки сосудам можно придавать более правильную форму.

Так, вероятно, появился ручной гончарный круг, который послужил основой для изобретения древними греками и египтянами махового колеса – колеса с массивным ободом, которое устанавливалось на валу машины, преобразовывающей энергию импульса в последовательное плавное движение.

Колесо как мистический и сакральный символ

В древних культурах многих индоевропейских народов присутствует символика, так или иначе связанная с колесом. Оно обозначало бесконечность циклов жизни и смерти, вечный путь, совершаемый живыми существами в бесконечном колесе инкарнаций. Круглая форма связывалась с солнечным божеством, совершающим свой ежедневный круг по небосводу. Все культуры, знакомые с колесом, использовали его в своей сакральной символике. Нельзя не вспомнить славянский Солнцеворот, буддийскую Дхарму, египетские боевые колесницы и т.д. Как правило, оно было символом власти, вечного движения и обновления, высшего закона и истины.

Устройство древних мельниц

Со временем люди стали строить водяные мельницы и использовать силу воды для получения муки. Причем на равнинных территориях при низкой скорости течения рек для увеличения напора устраивали запруды, обеспечивая тем самым повышение уровня воды. Для передачи движения к устройству мельницы были изобретены двигатели с зубчатой передачей, которые делались из двух колес, соприкасающихся ободами.

Используя систему из колес различного диаметра, у которых оси вращения были параллельными, древние изобретатели смогли осуществить передачу и преобразование движения, которое можно было направить на пользу людям. Причем большее колесо должно совершить меньшее количество оборотов во столько раз, во сколько его диаметр превышает второе, малое. Первые колесные зубчатые системы стали применять еще 2 тыс. лет назад. С тех пор изобретатели и механики смогли придумать множество вариантов зубчатых передач, использующих уже не только 2, но и большее количество колес.

Устройство водяной мельницы античной эпохи, описанное Витрувием, содержало 3 основных части:

  1. Двигатель, состоящий из вертикального колеса, имеющего лопатки, которые вращаются водой.
  2. Передаточный механизм — второе вертикальное колесо с зубцами (трансмиссия), которое вращает третье горизонтальное, называемое шестерней.
  3. Исполнительный механизм, состоящий из двух жерновов: верхний приводится в движение шестерней и насажен на ее вертикальный вал. Зерно для получения муки засыпалось в ковш-воронку, расположенную над верхним жерновом.

Водяные колеса устанавливали в нескольких положениях по отношению к потоку воды: нижнебойные — на реках с большой скоростью течения. Самыми распространенными были «висячие» конструкции, устанавливаемые на свободном течении, погруженные в воду нижними лопастями. Впоследствии стали использовать среднебойные и верхнебойные виды водяных колес.

Максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД = 75%) давала работа верхнебойных или наливных видов, что широко применялось при устройстве «байдачных» плавучих мельниц, которые курсировали на больших реках: Днепре, Куре и др.

Значение открытия водяной мельницы состояло в том, что был изобретен первый античный механизм, который в дальнейшем мог быть использован для промышленного производства, что стало важным этапом в истории развития техники.

Строительство мельниц на Руси

В древнерусских летописях упоминание о водяных колесах и мельницах встречается с 9 в. Вначале они использовались исключительно для размалывания зерна, за что и были прозваны «мучными» и «хлебными». В 1375 г. князь Подольский Корпатович даровал грамотой Доминиканскому монастырю право на постройку хлебной мельницы. А в 1389 г. жене князя Дмитрия Донского такое сооружение отошло по завещанию.

В Великом Новгороде упоминание в берестяной грамоте о постройке мельницы датировано 14 в. Псковские летописи 16 в. рассказывают о строительстве такой конструкции на реке Волхов, к чему привлекли все местное население. Была устроена плотина, перекрывшая часть реки, однако она разрушилась из-за сильного паводка.

На равнинной местности водяные мельницы в России строились с наливным верхнебойным колесом. В 14-15 вв. стали появляться мутовчатые устройства, в которых колесо было расположено горизонтально на вертикальном валу.

Строили такие конструкции мастера-самоучки без каких-либо чертежей и схем. Причем они не только копировали уже возведенные сооружения, но каждый раз добавляли свои нововведения в их устройство. Еще во времена Петра Первого в Россию стали приезжать мастера из европейских стран, которые показывали свои навыки и знания в этой области.

Один из соратников Петра, известный инженер Вильям Генин, построивший на Урале 12 больших заводов, смог обеспечить их работу от гидросиловых установок. В последующем энергию воды повсеместно использовали специалисты при строительстве горнорудных и металлообрабатывающих предприятий по всей России.

В начале 18 века по всей территории действовало около 3 тыс. мануфактур, которые использовали гидроустановки для функционирования производства. Это были металлургические, лесопильные, бумажные, ткацкие и другие предприятия.

Самый знаменитый и уникальный комплекс для обеспечения энергией горнометаллургического комбината был построен в 1787 г. инженером К. Д. Фроловым на Змеиногорском руднике, который не имел аналогов в мире. Он включал плотину, водозаборные сооружения, от которых вода по подземным штольням проходила в открытый канал (535 м длиной) до мельницы, где вращалось колесо лесопильной конструкции. Далее вода поступала через следующий подземный канал к гидроколесу машины по подъему руды из шахты, далее — к третьему и четвертому. В конце она вытекала через штольню длиной более 1 км обратно в реку ниже плотины, общий путь ее составлял более 2 км, диаметр самого большого колеса — 17 м. Все сооружения были построены из местных материалов: глины, дерева, камня и железа. Комплекс успешно проработал более 100 лет, но до наших дней сохранилась только плотина Змеиногорского рудника.

Исследования в области гидравлики проводил также знаменитый ученый М. В. Ломоносов, который воплотил свои научные мысли на практике, участвуя в создании предприятия цветного стекла на основе работы гидроустановки с тремя колесами. Труды еще двух российских академиков — Д. Бернулли и Л. Эйлера — приобрели мировое значение в использовании законов гидродинамики и гидротехники и заложили теоретическую основу этих наук.

Чем молоть муку

В древнейшие времена зерно толкли пестиком в ступке, потом выяснили, что легче растирать зерно между двумя камнями, в зернотёрке. Идея использовать вращательные движения при растирании зерна пришла с изобретением колеса. Так появился ручной жёрнов — два дисковидных камня, скользящих один по другому, между которыми перетиралось зерно. В Древней Греции и Риме уже были жернова всех размеров.

Зернотёрка. Каменный век

Маленькие жернова, наподобие кофемолок, одной рукой держали, а другой вращали. Большие жернова ставили на колоду и вращали двумя руками. Были и огромные жернова, которые крутили рабы, быки или ослы. Монотонность этой работы натолкнула на мысль придумать двигатель, заменив им мускульную силу человека и животных.

Ступка и пестик для толчения зерна. Каменный век

Колесо в повседневной жизни

«Изобретение колеса качественно изменило наше представление о жизни. Мы ощутили себя творцами и перестали воспринимать природу как данность. Мы старались противостоять ей , бороться с ее проявлениями, изменяя окружающий мир так, чтобы он служил нам. На сегодня можно сказать, что мы во многом преуспели. Мы победили» — так выразил свое отношение к роли колеса в жизни человека профессор Джорджтаунского университета Дэниел Робинсон.
А правда ли колесо так часто встречается в нашей жизни? Задумайтесь на минуту. Ведь мы существуем благодаря колесу и во многом обязаны этому изобретению. Оно так привычно вошло в нашу жизнь, что мы его даже не замечаем.

Некоторые примеры мы уже рассмотрели, но колесо встречается в нашей жизни гораздо чаще. Колесо, круг и ему подобные являются основой очень многих механических вещей.

Представьте на секунду, что колесо никогда не было изобретено.

Теперь можете выкинуть из своей жизни машину, велосипед, самолёт, водокачку многое другое. Так же и часы и всё, что основано на шестерёнках. И телегу. Люди бы никогда не пахали поля, не ездили, тем более не летали в самолётах и почем транспорте. не видели часов кроме песочных и солнечных. Ни что бы не существовало, т.к. все механизмы устроены на передаточном числе, шестерёнках и прочих винтиках

обратите внимание, что и винтики Архимед придумал от колеса от круга. Не было бы так же и кораблей, ведь поворачивая штурвал, передача идёт через шестерёнки и на руль.

Так же и не существовало бы и других механизмов, или они были бы изобретены гораздо позже. Ведь Архимед изобрел винты, отталкиваясь от колеса и круга. А какое современное изобретение можно представить без винтов?

Заключение

Колесо можно считать великим изобретением всего человечества. В своей работе мы показали, как со временем менялась конструкция самого колеса. Сейчас трудно дать только одно строгое определение колесу, т.к. очень много их различных конструкций, которые применяются только в различных видах транспорта. Конечно, в такой маленькой работе рассмотреть все механизмы, где применяются различные типы колес, невозможно.

В историческом плане изобретение колеса оказало значительное влияние на нашу цивилизацию. Развитие цивилизации Древнего Египта и Месопотамии, например, историки напрямую связывают с изобретением письменности и колеса. Водяные колеса, деревянные зубчатые передачи, блоки были известны с древних времен. Позже стал развиваться колесный транспорт с бычьей тягой, который постепенно совершенствовался и распространялся в Средиземноморье, Европу и Китай.

В результате нам удалось доказать, что колесо действительно можно назвать великим изобретением, сыгравшим колоссальноевлияние на историческое развитие всего человечества.

Список литературы

1. 7 кл.:учеб. для общеобразоват. учреждений/ А.В. Перышкин.-10-е изд., доп.-М.:Дрофа,2006.

2. Словарь русского языка / С.И. Ожегов – 25-е издание, 2007.

3. Хочу все знать!: Большая иллюстрированная энциклопедия интеллекта / Пер. с англ. А. Зыковой , К. Молькова, О. Озеровой. – М.: Эксм, 2007.

4. Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г.

5. Что? Зачем? Почему? Большая книга вопросов и ответов / Пер. К. Мишиной, А. Зыковой. – М.: Изд-во Эксмо, 2006.

6. Что такое. Кто такой : детская энциклопедия / сост. М.С. Ханова – М.: Астрель; АСТ, 2005.

Интернет ресурсы

1. http://www.ktopridumal.ru/

2. http://slovorus.ru/index.php?ID=30205&pg=73&w=%CA%CE%CB%C5%D1%CE&s=%CA&a=

3. http://invhistory.blogspot.ru/2008/05/blog-post_10.html

4. http://do100verno.com/blog/10/8071

5. http://www.stroitelstvo-new.ru/koleso.shtml

Приложения

Приложение 1

Бревна-катки

Приложение 2

Гончарный круг

Приложение 3

Первый прототип современной повозки

Приложение 4

Облегченный экипаж

Приложение 5

Конструкция самопрялки

Приложение 6

Водяное колесо

Приложение 7

Всемогущее водяное колесо

«Странное создание, — говорил, «наверное, какой-нибудь современник первого водяного колеса. — Оно несет воду, а вода, в свою очередь, несет его». Мы теперь скажем: течение реки приводит в движение колесо; вместе с колесом вращается вал, на котором укреплен мельничный жернов. Водяное колесо было первым двигателем, который человек создал себе в помощники. Новый, широкий мир открылся перед человеком, полный тайн и чудес, — мир техники.

Скоро человек понял, что водяное колесо может не только вертеть мельничные жернова и орошать поля. Оказалось, что оно почти всемогуще. Водяное колесо стало выкачивать грунтовые воды из глубоких шахт рудников и подавать корзины с рудою на поверхность земли. В кузнице водяное колесо раздувало мехи. Старые плавильные печи оно превратило в доменные. Позже оно взяло тяжелый молот из рук кузнеца и стало приводить в движение мощные механические кузнечные молоты.

На лесопильных заводах оно распиливало толстые стволы деревьев на тонкие доски и помогало человеку изготовлять хорошую дешевую бумагу. Теперь существуют «мельницы», на которых не мелют никакого зерна. Слово «мельница» стало собирательным, как понятие «зерно», которое значит «хлебные злаки» вообще. В Германии под словом «зерно» («Коrn») понимают рожь, в Америке — кукурузу, во Франции — пшеницу, а в Норвегии — ячмень. Так в Англии до сих пор каждый завод называют «mill» — «мельница». Время шло быстро. Человеческий разум находил себе новых помощников.

Постепенно старые помощники перестали удовлетворять его. Он предъявлял к ним все новые и новые требования. Особенно недоволен человек был тем, что водяное колесо можно было применять только на реке или на ручье. И вот некоторые люди, может быть более хитрые, чем другие, стали пытаться построить такую машину, которая не только выполняла бы какую-то работу, но и сама себя приводила бы в действие.

Рейтинг: /5 —
голосов

Текст

(236 ыдаче авторского свидетельства Предлагаемое изобретение, касающееся вертикальных верхнебойных водяных колес с непрерывным протеканием воды по рабочей части обода, имеет целью увеличение мощности та-, ковых путем увеличения коэфициептанаполнения колеса водой,Кроме того, в предлагаемом колеседействует живая сила воды, наполняю-щей приблизительно одну третью частьвенца, причем эта масса воды находитсяв движении относительно колеса, обладая скоростью, несколько большей скорости вращения колеса. В существующих же колесах живой силой действуетзначительно меньшая масса воды в мо-мент»наполнения верхних ковшей, а на остальном пути вода действует толькосвоим весом. Предлагаемое колесо по существу отличается от существующих колес тем,что в его венце, вместо лопастей, обра-,зующих ковши, расположены, в шахмат-ном порядке, многочисленные продоль-ные (по оси колеса) стержни круглоиили иной формы в поперечном сечении, 1 На схематическом чертеже фиг. 1 ,изображает вид верхнебойного водяногоколеса сбоку; фиг. 2 — то же видоизменение его; фиг. 3 — вид его сверху;фиг. 4 — поперечный разрез стержней. Органы, воспринимающие давление воды, выцолнены в виде стержней илиЯНИЕодяного колеса.Амосова, заявленномуперв.163198).нубликовано 30 сентября спиц 1 (фиг. 4), в поперечном сечении имеющих круглую или иную форму и закрепленных в боковых ободьях колеса .4. Стержни 7 расположены так (фиг. 4), что занимают только часть внутреннего объема ко,чеса, а остальная рабочая часть его будет наполнена через водоспуск 5 водою, которая при этом будет протекать по наружной опалубке 4 между стержнями / вниз, действуя на колесо А своей живой силой.При многочисленности стержней 7 общая площадь сопротивления прохождению воды, на протяжении рабочей части венца, будет во много раз больше, чем у обыкновенного лопаточного или ковшевого колеса, у которого такой площадью являются лншь,чонасти, подверженные непосредственному удару вступающей в колесо воды,В видоизменении колеса, изображенном на фиг. 2 и 3, стержни или спицы 1 закреплены в ободе б, помещенном в средней плоскости колеса А и связанном с наружным цилиндрическим ободом 7, На протяжении примерно одной трети венца по бокам колеса с небольшими зазорами расположены два неподвижных боковых снабженных опалубкой щита 8, препятствующих опорожнению венца от воды и образующих рабочую часть колеса. Вода поступает по водоспуску 5, подходяЙАГ Д5 щему к колесу с обеих его боковых сторон, причем водоспуски могут быть расположены и перпендикулярно к плоскости вращения колеса,Предмет изобретения.1, Верхнебойное водяное колесо с непрерывным протеканием воды по рабочей части обода, отличающееся тем, что воспринимающие давление органы выполнены в виде стержней или спиц 1, закрепленных в боковых ободьях (фиг, 2 н 4),2, Видоизменение колеса по п, 1, отличающееся тем, что стержни или спицызакреплены лишь в одном ободе 6 (фиг. 2 и 3), связанном с дополнительным наружным цилиндриче. скнм ободом 7, к которому прилегают с зазором неподвижные боковые щиты 8.3. Применение к колесу по п. 2 бокового впуска воды (фиг, 3),Тнн.,Печатный 1 руд» Зак, 5232 — 200

Смотреть

Гость форума
От: admin

Эта тема закрыта для публикации ответов.