Беседа о колесе

Добронравов Николай Иванович

Еще более совершенная резиновая шина, изобретенная в конце XIX в., состоит из двух частей: прорезиненной плотной покрышки и тонкой воздухонепроницаемой камеры, которую накачивают воздухом до давления в несколько атмосфер. Такая упругая шина еще лучше устраняет тряску, кроме того, она облегчает ход повозки. Дело в том, что на всякой неровности дороги неупругое колесо, а с ним и повозка должны на большом ходу подскакивать при ударах о препятствия. Как ни малы эти подъемы, надо затрачивать на них работу. Если же шины упруги, то они проминаются на отдельных бугорках и ось при этом не поднимается, а значит, и не производится добавочная работа на поднятие груза (веса повозки с кладью).

В начале XIX в. роль колеса в повозках коренным образом изменилась. До этого времени колесо служило, главным образом, для уменьшения сопротивления трения, т. е. его значение было

подчиненным. Когда же стали изобретать самодвижущиеся повозки, то на долю колеса выпала задача передавать движение от двигателя ко всей повозке в целом, иными словами, колесо стало играть активную роль. В этом случае стали применять колеса, наглухо насаженные на ось, которая вращается от двигателя либо при помощи кривошипного механизма, как в паровозе, либо же путем передачи ей вращения при помощи вала и конических шестерен, как в автомобиле.

Как известно, согласно непреложному физическому закону, действие равно противодействию. Поэтому, когда колесо, вращаясь, тянет поезд вперед, оно с такой же силой толкает рельсы назад. Мы, конечно, не замечаем результата этого действия, так как масса Земли во много миллионов раз больше массы самого тяжелого поезда. Поэтому приобретаемая земным шаром скорость оказывается ничтожной. Для того же, чтобы колеса поезда могли отталкивать рельсы назад, необходимо, чтобы трение скольжения между колесами и рельсами было достаточно большим. Интересно отметить, что первые изобретатели паровозов опасались, что вращающиеся колеса будут проскальзывать по земле, тем более по рельсам, и придется делать и колеса и рельсы зубчатыми для того, чтобы паровоз мог тянуть самого себя, не говоря уже о прицепленных к нему вагонах.

Некоторые изобретатели того времени даже снабжали паровозы особыми металлическими «ногами», с помощью которых эти паровозы должны были как бы отталкивать рельсы. Однако мы хорошо знаем из опыта, что эти страхи оказались напрасными, а металлические «ноги» — ненужными. Больше того, они могли отбросить их еще и до постройки своих машин: им, несомненно, было известно действие тормоза. Если не дать колесу возможности вращаться, то повозку можно передвигать только с большим трудом, так как вместо того, чтобы перекатываться, колесо будет скользить по дороге; трение же при скольжении много больше трения при качении.

Прицепленные груженые вагоны увеличивают трение качения и тормозят движение паровоза. Чем больше вагонов к нему прицеплено, тем больше тормозящее усилие. Это усилие можно, очевидно, увеличивать только до известного предела. Когда при большом числе прицепленных вагонов трение качения вагонов станет равным или больше силы трения скольжения колес паровоза, «ведущее» колесо начнет проскальзывать — «буксовать», паровоз не сможет тянуть поезд: его колеса будут вращаться на месте. В таком случае на рельсы под колеса сыплют песок. Он не увеличивает силы трения качения, но во много раз увеличивает трение скольжения колес паровоза по рельсам.

Если бы паровоз или автомобиль поехал по палубе корабля, мы заметили бы, что корабль отходит назад. Этим законом равенства действия и противодействия можно воспользоваться для устройства весьма остроумного приспособления. Представим себе, что паровоз перевернулся вверх колесами, но его машина работает и колеса вращаются в воздухе. Если положить теперь на колеса рельсы, то не паровоз будет двигаться по рельсам, а рельсы по колесам. В самом деле, опрокинутый паровоз можно сдвинуть с места, только приложив огромную силу, так как он прочно удерживается на месте силой трения о землю. Силы трения рельсов о колеса для этого недостаточно. Но равная ей, только направленная в обратную сторону, сила сможет толкать сравнительно легкий рельс. Как ни фантастичен подобный пример, все же каждый рельс при своем появлении на свет передвигается этим способом на рельсопрокатном заводе. Есть, правда, одно несущественное отличие: «колеса», по которым двигается рельс, имеют широкие ободья. Вернее, это — хорошо знакомые нам катки. Однако это не свободные катки, а закрепленные на осях валы, вращающиеся от электромоторов. Целый ряд таких валов поставлен на прокатном стане, превращающем стальную болванку в рельс. Выйдя из-под стана, раскаленная стальная лента рельса попадает на эти вращающиеся валы, автоматически передвигающие ее к пиле, которая разрезает эту ленту на части. Отрезанные куски передвигаются дальше к печам. На таких же валах подается к прокатному стану и та болванка, из которой прокатывается рельс. Подобное же устройство может быть применено и для передвижения сыпучих тел. В этом случае валы покрываются

кольцевой лентой прорезиненной материи. Она идет поверх валов, загибается на последнем вниз, идет внизу до первого вала, где вновь загибается вверх. Если валы не вращаются, то и лента находится в покое; как только валы начинают вращаться, лента начинает двигаться в сторону вращения, причем с той же скоростью, что и точки, лежащие на поверхности валов (в том случае, если не будет проскальзывания ленты по валам). Тогда на ленту можно набрасывать песок, зерно, класть кирпичи и т. п. Можно установить оси всех валов в горизонтальной плоскости. В этом случае перемещение ленты тоже будет происходить горизонтально, мы будем иметь «транспортер» (конвейер). Если же полотно будет двигаться наклонно, то и лежащий на нем груз будет подниматься. Устройство будет действовать как подъемник. Можно заставить двигаться по валам ленту не из ткани, а металлическую, составленную из звеньев. На ней устраивают ступени. В этом случае подъемник превращается в самодвижущуюся лестницу — «эскалатор». Что произойдет, если мы затормозим нижнюю сторону бесконечной ленты «транспортера», например при-ведя ее в соприкосновение с землей? Очевидно, валы смогут при этом вращаться, не проскальзывая, только при условии, если их оси станут катиться вперед. С осями, конечно, будут передвигаться и их подшипники и все сооружение, с которым эти подшипники связаны, т. е. транспортер превратится в так называемый «гусеничный ход». Для того чтобы полностью избежать проскальзывания бесконечной ленты, несколько валов (колес) изготовляются зубчатыми, а на внутренней стороне ленты делаются шипы, за которые и задевают зубцы ведущих колес (рис. 6).

Рис. 6. Гусеничный ход трактора.

Гусеничный ход очень удобен в тех случаях, когда приходится перемещаться по плохим дорогам или вовсе без дорог. Дело в том, что колесо соприкасается с дорогой только на малой площади и потому, если нагрузка на него значительна, прорезает почву. Гусеница же ложится на почву почти половиной своей длины, кроме того ее ширина больше, чем ширина обода колеса. Поэтому нагрузка, приходящаяся на единицу поверхности соприкосновения, т. е. давление на почву, много меньше: гусеничный трактор может идти по вспаханному полю и даже по моховому болоту.

II. Колесо и развитие машин

Мы рассмотрели колесо как средство передвижения. Но у него имеется еще много других различных применений. Наиболее древними машинами, в которых было использовано колесо, несомненно являются гончарный станок, мельница и прялка.

Найденные при раскопках древних городов черепки, а иногда и хорошо сохранившиеся глиняные сосуды в возрасте 3000–3500 лет имеют правильную форму круга. Это с несомненностью свидетельствует о том, что они изготовлены на гончарном станке.

Гончарный круг в простейшем виде — не что иное как колесо, насаженное на вертикальную ось. Таким мы его видим на древних изображениях (рис. 7).

Рис. 7. Древнегреческое изображение гончара с гончарным кругом.

Позже было произведено некоторое его усложнение: на вертикальной оси установили два колеса; на верхнее кладется кусок глины, из которой вырабатывается сосуд, тогда как нижнее, обычно большое колесо, служит для вращения всего стана ногами гончара, оно же сообщает стану и равномерность хода (рис. 8).

Рис. 8. Гончарный круг.

Мы видим, что за три с лишним тысячи лет гончарный круг по существу почти не изменился. Первый рисунок — грубое изображение неумелого художника того времени, а второй — современный чертеж. Однако сам станок и способ работы на нем в основном остались прежними.

Другое применение колеса можно видеть на примере жернова. Первобытные земледельцы либо вовсе не дробили зерна, либо разбивали (толкли) его камнями. Позднее они растирали его одним камнем на другом большом плоском камне («терка»). Это была крайне утомительная работа. Сохранилось изображение женщины, растирающей «теркой» зерно (рис. 9).