Коловорот (простий механізм)
Коловорот[1] або ко́рба[2], во́рот[3] — це один із шести простих механізмів, конструкція якого була визначена кресленнями, виконаними науковцями доби Відродження за грецькими текстами на технологічну тематику.[4] Основою конструкції коловорота в цілому вважають колесо, закріплене на (осьовому валу) таким чином, що ці дві деталі рухаються разом та передають механічну енергію одна одній. У цій конфігурації — спеціальний шарнір або вальниця підтримують обертальний рух вала.
Герон Александрійський визначав коловорот як один із п'яти простих механізмів, що використовуються для піднімання вантажів.[5] Його також інтерпретують як різновид лебідки, яка складається зі шківа, з'єднаного з циліндричним валом, що забезпечує наявність передатного відношення, необхідного для намотування мотузки та піднімання вантажу, такого як відро води з колодязя[6].
Така система є різновидом важеля, із навантаженням, спрямованим по дотичній до поверхонь колеса та осьового вала, урівноважених навколо шарніра, який виконує роль точки опори. Тому передатне відношення коловорота — це співвідношення відстаней від точки опори до місць докладення сили або навантаження, що в даному випадку відповідає співвідношенню радіальних вимірів колеса та осьового вала[7][8].
Історія ред.
Найдавнішим чітко датованим зображенням колісного транспортного засобу (віз — чотири колеса, дві осі) є зображення на вазі з Броноцице — керамічній вазі ще з 3635-3370 рр. до н. е., знайденій під час розкопок у поселенні археологічної культури лійчастого посуду на півдні Польщі[9].
Найстаріший відомий приклад дерев'яного колеса та його осьового вала був знайдений у 2002 році на люблянських болотах, за якихось 20 км на південь від Любляни, столиці Словенії. Відповідно до результатів радіовуглецевого датування, цьому колесу-коловороту — від 5100 до 5350 років. Колесо було виготовлене з ясена та дуба і мало радіус 70 см та осьовий вал довжиною у 120 см, виготовлений із ясена.[10]
Передатне відношення ред.
Простий механізм під назвою коловорот — це поєднання двох дисків або циліндрів із різними діаметрами, змонтованих таким чином, що вони обертаються разом навколо однієї осі. Сила, яка прикладається до країв цих двох дисків або циліндрів — забезпечує необхідне передатне відношення. У випадку застосування такого механізму як колеса транспортного засобу — менший циліндр є одночасно осьовим валом та віссю самого колеса, але при використанні у лебідці, брашпилі або інших схожих пристроях (див. зображення середньовічного гірничого підйомника справа) менший циліндр може бути відокремленим від додаткового осьового вала, закріпленого на вальницях[11][12].
Зважаючи на те, що колесо та осьовий вал не розсіюють та не зберігають в собі енергію, — потужність, яка генерується силою, прикладеною до колеса, повинна рівнятися вихідній потужності вала. Оскільки весь механізм коловорота обертається навколо вальниць, крайні периферійні точки, або просто — краї колеса — рухаються швидше, аніж периферійні точки, або краї (окружність) осьового валу. Тому ефективне зусилля, яке прикладається до країв колеса є меншим, аніж сила, яка діє на окружність вала, адже потужність — це результат сили й швидкості.[13]
Нехай a та b — це відстані від центра вальниці до країв колеса A та осьового валу B відповідно. Якщо до країв колеса прикладається сила FA, тоді як сила FB — є вихідною на окружності осьового валу, то відношення між швидкістю точок на краях колеса A та валу B можна виразити як a/b. Таким чином відношення вихідної сили до вхідної, або передатне відношення коловорота — можна визначити за формулою:
де
- MA = передатне відношення (англ. Mechanical Advantage)
Передатне відношення такого простого механізму як коловорот — вираховується як відношення сили опору до прикладеного зусилля. Чим більшим є результат цього відношення, тим більшим є множник отримуваної сили (крутного моменту) або пройденої відстані. Змінюючи радіус колеса або осьового валу, можна досягти будь-якого значення передатного відношення.[8] Таким чином, розмір колеса (більшого диску або циліндра) можна збільшити настільки, що користуватися ним стане незручно. В такому випадку зазвичай використовується ціла система комбінацій коліс та коліщат (часто — зубчастих, тобто шестерень). Оскільки коловорот є різновидом важеля, система з декількох коловоротів є чимось на зразок складаного важеля.[14]
Ідеальне передатне відношення ред.
Ідеальне передатне відношення коловорота визначається за такою формулою:
де
- I.M.A. = ідеальне передатне відношення (англ. Ideal Mechanical Advantage)
- RadiusWheel = радіус колеса.
- RadiusAxle = радіус вала.
Дійсне передатне відношення ред.
Дійсне передатне відношення коловорота визначається за такою формулою:
де
- A.M.A. = дійсне передатне відношення (англ. Actual Mechanical Advantage)
- R = сила опору, тобто, вага відра з водою у випадку коловорота колодязя.
- Eactual = дійсне прикладене зусилля — сила, необхідна для того, аби повертати колесо.
Практичне застосування ред.
Застосовується в ручних підіймальних пристроях, наприклад, для підняття відер з криниць, колись широко вживався на будівництві й шахтарстві. Конструкції деяких облогових машин і середньовічних потужних арбалетів часто передбачали їх зведення коловоротом. Принцип цього простого механізму використовується в інструменті для свердління, який теж називається коловоротом.
Див. також ред.
Примітки ред.
- ↑ Коловорот // Словник української мови : в 11 т. — Київ : Наукова думка, 1970—1980.
- ↑ Корба // Словник української мови : в 11 т. — Київ : Наукова думка, 1970—1980.
- ↑ Ворот // Великий тлумачний словник сучасної української мови (з дод. і допов.) / уклад. і гол. ред. В. Т. Бусел. — 5-те вид. — К. ; Ірпінь : Перун, 2005. — ISBN 966-569-013-2.
- ↑ (англ.)Wheel and Axle, The World Book Encyclopedia, World Book Inc., 1998, pp. 280—281
- ↑ (англ.)Usher, Abbott Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. USA: Courier Dover Publications. с. 98. ISBN 048625593X. Архів оригіналу за 4 лютого 2021. Процитовано 7 грудня 2013.
- ↑ Elroy McKendree Avery, Elementary Physics [Архівовано 12 червня 2014 у Wayback Machine.], New York: Sheldon & Company, 1878.
- ↑ Вантажопідйомні пристрої. Архів оригіналу за 8 грудня 2013. Процитовано 8 грудня 2013.
- ↑ а б Bowser, Edward Albert, 1890, An elementary treatise on analytic mechanics: with numerous examples. [Архівовано 15 липня 2014 у Wayback Machine.] (Originally from the University of Michigan) D. Van Nostrand Company, pp. 190 (англ.)
- ↑ Anthony, David A. (2007). The horse, the wheel, and language: how Bronze-Age riders from the Eurasian steppes shaped the modern world. Princeton, N.J: Princeton University Press. с. 67. ISBN 0-691-05887-3. (англ.)
- ↑ (англ.)Alexander Gasser (March 2003). World's Oldest Wheel Found in Slovenia. Government Communication Office of the Republic of Slovenia. Архів оригіналу за 14 липня 2012. Процитовано 19 серпня 2010.
- ↑ Prater, Edward L. (1994), Basic Machines [Архівовано 6 листопада 2020 у Wayback Machine.], Naval Education and Training Professional Development and Technology Center, NAVEDTRA 14037 (англ.)
- ↑ Bureau of Naval Personnel, 1971, Basic Machines and How They Work [Архівовано 22 вересня 2016 у Wayback Machine.], Dover Publications. (англ.)
- ↑ (англ.)J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.
- ↑ (англ.)Baker, C.E. The Principles and Practice of Statics and Dynamics … for the Use of Schools and Private Students. London: John Weale, 59, High Holborn. 1851 pp. 26-29 read online or download full text
Література ред.
| Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Коловорот (простий механізм) |
- Basic Machines and How They Work, United States. Bureau of Naval Personnel, Courier Dover Publications 1965, pp. 3-1, попередній перегляд у режимі онлайн [Архівовано 4 січня 2014 у Wayback Machine.]