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.

Схема коловорота
Коловорот колодязя — широко відомий приклад застосування механізму коловорота.

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
Бруси, вставлені у кабестан, забезпечують механізмові коловорота необхідне передатне відношення для підйому якоря.
Водяне колесо приводить в рух мотузкову лебідку для підйому вантажів у середньовічному гірництві.
Криниця з коловоротом
Коловорот з блоком
Коли повернути таку дверну ручку, то всередині механізму повернеться і маленький вал, призначений відтягувати язичок замка.

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

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

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

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

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

Примітки
  1. Коловорот // Словник української мови : в 11 т. — К. : Наукова думка, 1970—1980.
  2. Корба // Словник української мови : в 11 т. — К. : Наукова думка, 1970—1980.
  3. 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.
  4. (англ.)Wheel and Axle, The World Book Encyclopedia, World Book Inc., 1998, pp. 280—281
  5. (англ.)Usher, Abbott Payson (1988). A History of Mechanical Inventions. USA: Courier Dover Publications. с. 98. ISBN 048625593X.
  6. Elroy McKendree Avery, Elementary Physics, New York: Sheldon & Company, 1878.
  7. Вантажопідйомні пристрої. Архів оригіналу за 8 грудня 2013. Процитовано 8 грудня 2013.
  8. Bowser, Edward Albert, 1890, An elementary treatise on analytic mechanics: with numerous examples. (Originally from the University of Michigan) D. Van Nostrand Company, pp. 190 (англ.)
  9. 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.)
  10. (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.
  11. Prater, Edward L. (1994), Basic Machines, Naval Education and Training Professional Development and Technology Center, NAVEDTRA 14037 (англ.)
  12. Bureau of Naval Personnel, 1971, Basic Machines and How They Work, Dover Publications. (англ.)
  13. (англ.)J. J. Uicker, G. R. Pennock, and J. E. Shigley, 2003, Theory of Machines and Mechanisms, Oxford University Press, New York.
  14. (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
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.