Родословная колеса
Содержание:
Предисловие редакции: В природе, как известно, нет живых существ, передвигающихся на колёсах. Все они – шагающие, прыгающие, ползающие или летающие. Нет каких-либо колёсиков и внутри организма животных. Так что колесо – творение чисто человеческое, продукт человеческого ума. Никакой «подсказки», никакого природного аналога не было. Лишь Homo sapiens, Человек разумный, мог додуматься до этого гениально-простого изобретения.
Начало цивилизации
Имя создателя первого колеса кануло в вечность. О том, где и как оно появилось, можно лишь строить догадки. Да и началось всё, строго говоря, совсем не с того, что мы называем колесом. «Прародителем» колеса были гладкие брёвна-катки. Их подкладывали под перевозимый груз наши далёкие предки уже 20 тысяч лет тому назад. Потом кто-то заметил, что среднюю часть катка выгодно делать тоньше, чем его концы. Получились своего рода колёса, пока ещё наглухо скреплённые с осью. Самое древнее колесо было найдено в Месопотамии, Двуречье. Возраст его более пяти тысяч лет. С Ближнего Востока вместе с кочевниками-скотоводами оно попадает в районы Каспийского и Чёрного морей. Древние колёса были обнаружены в Армении и Калмыкии. Учёные до сих пор спорят, какими маршрутами продвигалось колесо по миру. В южной Сибири оно появилось около четырёх тысяч лет назад. Об этом свидетельствуют наскальные рисунки. Тогда же его стали применять в Китае.
Нашёлся неведомый гений, который изобрёл ступицу, и колёса стали независимо друг от друга вращаться на оси. Это было чрезвычайно важное изобретение. Оно позволило строить боевые колесницы, стремительные двухколёсные повозки.
Сплошные деревянные круги были слишком тяжёлыми и непрочными. Колёса, состоящие из нескольких частей – гораздо прочнее. Для облегчения в них начали выпиливать отверстия. Когда же колесо докатилось до нынешней Голландии, оно имело уже спицы и обод.
Полторы тысячи лет назад кельты «обули» колесо, надев на его обод – железную шину. Наконец, кто-то догадался сделать переднюю ось подвижной, чтобы повозками можно было управлять. Сотни лет спустя они превратились в кареты и коляски с рессорами.
Колесо положило начало человеческой цивилизации. И до сих пор, пожалуй, не найти такой области техники, такой сферы жизни, где бы можно было обойтись без него, колеса.
Алтайское чудо
В давние-предавние времена для орошения полей были изобретены вододействующие колёса. Построенные на берегах рек, они медленно вращались силой текущей воды. Их можно было видеть и в древнем Египте, на Ниле, и в Вавилонии, на Ефрате, и в Китае, на реке Янцзы. Позже такие колёса стали использовать в качестве двигателей станков и насосов.
Например, в Лондоне, на Темзе, в 1582 г. была построена водокачка с пятью огромными колёсами, подававшими с помощью насосов воду жителям английской столицы. Вода нагнеталась в большой деревянный резервуар, откуда по свинцовым трубам растекалась к потребителям. Эта водокачка исправно служила лондонцам на протяжении 250 лет!
В Шотландии, на реке Клайд, по проекту инженера Смитона было сооружено вододействующее колесо диаметром более 20 м – крупнейшее в мире. Оно выполняло роль двигателя для станков близлежащей прядильной фабрики.
От вододействующих колёс не отказались даже после того, как была изобретена паровая машина. В 1827 г. петербургский «Горный журнал» писал:
«Кто посещал Змеиногорский рудник на Алтае, тот, конечно, с удовольствием осматривал производимые на оном работы, превышающие, кажется, силы человеческие, и механические устройства, облегчающие труды рудокопателей при извлечении сокровищ из недр земных. Удивлённый путешественник спросит невольно: «Кем устроены в глубоких храминах земли сии огромные колёса, приводимые в движение водою?». Изобретатель сего механизма есть бергауптман 6-го класса Кузьма Дмитриевич Фролов».
В то время горные чины в России имели немецкие названия. Фролов, механик-самородок, был искусным строителем гидравлических машин. То, что сделал он на Змеиногорском руднике даже в наши дни кажется поразительным. Вблизи рудника в подземных камерах были установлены вододействующие колёса высотой с пятитажный дом!
Камеры (их впору назвать подземными залами) соединялись туннелями, пробитыми в камне. По ним к колёсам поступала вода из местной реки. За огромные размеры колёса Фролова получили название «слоновых». Они были самыми большими в мире деревянными сооружениями подобного рода.
Колесо Орфиреуса
Немец Карл Бесслер более известен под именем Иоганна Орфиреуса, одного из самых знаменитых изобретателей «вечного двигателя». Свой первый двигатель он создал в 1712 г., взяв за его основу колесо.
На демонстрацию чудо-машины Орфиреус пригласил авторитетных учёных того времени. Однако познакомиться с внутренним устройством своего загадочного колеса никому из них не позволил. Слух о необыкновенном изобретении быстро разнёсся по всем германским княжествам. Слава Орфиреуса росла не по дням, а по часам. У создателя вечного двигателя появился могущественный покровитель в лице Гессен-Кассельского ландграфа Карла. Орфиреус с радостью принял приглашение Его Величества переехать со своим колесом в замок Вайсенштейн.
Осмотрев колесо в действии, ландграф был поражён: для своего вращения оно, и в самом деле, не требовало подвода никакой энергии, о чём, не раздумывая, выдал изобретателю свидетельство. Не прошло и года, как Орфиреус построил новый «вечный двигатель», по его словам, «более усовершенствованный».
Лейденский физик Гравезанд писал, что машина по-прежнему имеет вид колеса диаметром около четырёх метров и шириной 35 сантиметров, сделанного из деревянных реек и обтянутого вощёным полотном. Вращалось оно на толстой оси.
«Я осмотрел эту ось, – продолжал Гравезанд, – и теперь твёрдо убеждён, что снаружи колеса решительно ничего не способствует его движению».
Во время демонстрации двигателя учёной комиссии его надолго закрывали в опечатанной комнате. Но и два месяца спустя колесо вращалось с той же скоростью, что и вначале.
«Машина работала с поразительной быстротой, – рассказывал очевидец, архитектор и механик Эмануэль Фишер. – Если бы какой-нибудь человек попытался остановить колесо, он подняло бы этого смельчака на воздух».
После смерти ландграфа Орфиреус обеднел, слава его стала тускнеть. Он скончался ещё не старым человеком в 1745 г., унеся в могилу тайну своего «вечно вращающегося колеса».
Изобретение Баденского лесничего
Создателем первого велосипеда (в переводе с латинского это слово означает «быстроног») считается французский граф Меде де Сиврак. В 1791 г. он построил двухколёсную машину, которую назвал целерифером, то есть в переводе «скороходом». Ни руля, ни педалей целерифер не имел. Ездили на нём, отталкиваясь от земли ногами, а для поворотов приходилось аппарат просто переставлять. Понятно, это было крайне неудобно, однако только четверть века спустя, в 1817 г., двухколёсную машину Сиврака удалось усовершенствовать. Сделал это Карл Дрейз – лесничий Баденского герцогства.
На первый взгляд велосипед Дрейза очень напоминал «скороход» Сиврака: та же деревянная рама, так же приходилось отталкиваться от земли ногами. Но было в нём и важное отличие. Дрейз укрепил переднее колесо в поворотной вилке и приделал к ней изогнутый руль.
Таким велосипед оставался ещё более сорока лет, пока француз Пьер Мишо – каретный мастер – не добавил к машине Дрейза ножной привод – педали на оси переднего колеса. А чтобы не пришлось слишком быстро крутить их, это колесо изобретатель сделал огромным, высотой чуть ли не в рост человека.
Велосипед стал походить на паука. Ездить на нём было небезопасно. Но в 1868 г. парижский часовщик Анри Жюльен установил педали в середине велосипедной рамы, связав их при помощи цепи и двух зубчаток с задним колесом. И нелепые «пауки» ушли в прошлое, уступив место «безопасным» велосипедам с колёсами одного размера.
Сначала ободья велосипедных колёс были жёсткими, с шинами из твёрдой, литой, резины. Разумеется, езду на таких «костотрясах» по плохим дорогам нельзя было назвать приятной. Выход нашёл шотландский врач Джон Денлоп. В 1888 г. он предложил надевать на обод велосипедного колеса резиновую накачанную воздухом пневматическую шину. Со временем велосипед получил трубчатую стальную раму, шарикоподшипники, свободный ход, тормоз, подпружиненное седло и тогда, наконец, из «игрушки для взрослых» превратился в удобную машину для передвижения, отдыха и спорта.
Монстр капитана Лебеденко
В начале прошлого века уже имелось всё для того, чтобы создать машину, позже названную танком. Шёл 1915 г. Первая мировая война была в разгаре. Желая помочь русской армии, капитан Николай Николаевич Лебеденко предложил проект колёсного танка.
Машина напоминала гигантский пушечный лафет. Впереди он опирался на два огромных колеса, диаметром по девять метров каждое. Сзади, на хвосте «лафета», находилась рулевая тележка из трёх колёс высотой в человеческий рост. В башнях и спонсонах (бронированных выступах) по бокам машины были установлены две пушки и четыре пулемёта. Управлять танком должен был экипаж из десяти человек. Для каждого переднего колеса предусматривался свой мотор. Вес этого монстра превышал 40 т!
Для постройки танка требовались немалые деньги. Лебеденко – человек предприимчивый, со связями, добился аудиенции у самого Николая II. Тщательно изготовленная заводная модель колёсного танка царю понравилась. Заверения изобретателя о том, что с помощью таких машин
«в одну ночь может быть совершён прорыв всего германского фронта»,
звучало убедительно. Финансирование проекта было разрешено, и строительство танка началось.
За странный, диковинный вид его прозвали «нетопырём» (так называется один из видов летучих мышей). В конце лета 1915 г. начались ходовые испытания танка. Их проводили тайно, в глухом лесу, под Дмитровом, в 60 км от Москвы. Заревели моторы, и машина довольно уверенно двинулась вперёд, ломая молодые берёзки. Большие передние колёса, и в самом деле, легко преодолевали препятствия. Но задние прочно застряли в первой же канаве.
Испытания завершились полной неудачей. Лебеденко хотел поставить на свой танк более мощные двигатели и увеличить размеры колёс хвостовой тележки. Но в его «нетопырь» уже никто не верил. Машина простояла в лесу до 1923 г., пока местные жители не растащили её по частям. И в первую очередь были унесены огромные, передние, колёса.
«Лондонский глаз»
Подходил к концу ХIХ в. В США, в Чикаго, должна была состояться Всемирная промышленная выставка. Задолго до её открытия стали поступать проекты сооружений, претендующих стать символом технического прогресса. Самым оригинальным оказался проект инженера Джоржа Ферриса. Предлагалось построить гигантское колесо с множеством кабинок на ободе. Поставленное вертикально, «на ребро», оно, вращаясь, поднимало бы кабинки с пассажирами всё выше и выше, открывая панораму выставки и её окрестностей.
Устроители выставки отнеслись к идее Ферриса скептически. Многие из них считали, что она неосуществима. Изобретателю пришлось самому искать средства, чтобы осуществить задуманное. Готовое колесо диаметром 75 м казалось фантастически огромным. К нему было прикреплено 36 кабинок на 60 человек каждая. Таким образом, одновременно колесо могло поднять 2160 человек! Вращали его две мощные паровые машины. На выставке колесо обозрения Ферриса пользовалось огромным успехом. За короткое время оно не только окупило себя, но и принесло большую прибыль. Необыкновенный аттракцион вызвал интерес и в других странах. В 1895 г. в Лондоне также появилось колесо обозрения, похожее на чикагское. Оно просуществовало более десяти лет.
Новое колесо «Лондонский глаз» («London eye») было построено на южном берегу Темзы только в 1999 г. и стало самой популярной достопримечательностью английской столицы. Высотой 135 м оно долгое время оставалось самым крупным колесом обозрения в мире. Ещё одна его особенность в том, что кабинки (скорее, прозрачные капсулы) сохраняют нужное положение не под действием собственного веса, а при помощи сложного поворотного механизма. Несколько лет назад «Лондонский глаз» потерял своё первенство. В Сингапуре было построено колесо обозрения «Парящий Сингапур» высотой 165 м. Но скоро и оно будет превзойдено. В США, в знаменитом городе развлечений Лас-Вегасе строится колесо высотой 170 м, а в китайском Шанхае, – ещё более грандиозное высотой 200 м!
Странные колёса
Пять тысячелетий колесо оставалось круглым. Оставался неизменным и его главный недостаток: малая проходимость по плохим дорогам, не говоря уже про бездорожье. На песчаной, каменистой, болотистой местности, в снегу круглое колесо пасует. Исправить это положение пытались и пытаются не только за счёт конструкции, но и за счёт формы колеса.
На различные колёса выдано огромное количество патентов. К примеру, одна американская фирма создала колёса с гибким, эластичным ободом. При разных нагрузках колесо изменяет свою форму от круглой до эллиптической. При сжимании обода площадь опоры увеличивается, а вместе с этим улучшается и проходимость. Обычно выражение «квадратное колесо» означает верх глупости и несуразности. Но в определённых условиях: в песчаной пустыни, на заснеженной равнине, как оказалось, квадратные колёса намного лучше круглых. Это доказано во время пробега по пескам пустыни Сахары автомобилей «на квадратах».
Разработана и такая конструкция колёс, которая позволяет на ходу машины придавать им разную форму: лепестковую (вроде ромашки), многоугольную, квадратную в зависимости от вида дороги.
Но и круглое колесо можно ещё совершенствовать. Например, шведские инженеры разместили на ободе, под углом в 45° к плоскости колеса ролики из твёрдой резины. Если заставить их вращаться, то колесо приобретает необычные свойства. Оно может не только катиться вперёд или назад, но и перемещаться в стороны. Машина на таких колёсах становится удивительно манёвренной.
Французские конструкторы построили вездеход с «шагающими» колёсами. Это четыре группы из трёх колёс, соединённых треугольником. На гладкой дороге треугольник обращён вершиной вниз, и машина едет на четырёх колёсах. На бездорожье – треугольник поворачивают вниз двумя колёсами, и вездеход становится восьмиколёсным.
А чешский инженер Юлиус Мацкерле разработал, так называемое, активное колесо. Оно окружено десятком мягких баллонов, в которые поочерёдно подаётся сжатый воздух. Раздуваясь, нижние баллоны подталкивают колесо, и оно начинает двигаться само, не нуждаясь в моторе.
Лилипуты и великаны
Трудно найти машину или механизм, в которых бы не использовались зубчатые колёса. Миллионы и миллионы шестерней выполняют в машинах важную роль передатчиков энергии, преобразователей усилий и скорости движения. Зубчатые колёса, само собой понятно, появились значительно позже гладких колёс. Однажды подводные археологи нашли древнегреческую триеру, военный корабль, затонувший более двух с половиной тысячелетий назад. Среди различных вещей, пощажённых морем, была и бронзовая машинка с множеством шестерёнок. Изучив её, учёные пришли к выводу, что это – древний арифмометр, видимо, служивший триерарху – командиру корабля, для каких-то подсчётов.
Не удивительно, что значительно позже, в начале XVI в., великий Лернардо да Винчи уже широко использовал зубчатые колёса в изобретённых им механизмах и машинах. Тем более это стало возможным в петровскую эпоху.
В сохранившихся до нашего времени станках, созданных русским механиком Андреем Нартовым, – масса зубчатых колёс различных размеров. И это несмотря на то, что научного обоснования зубчатого зацепления тогда ещё не существовало. Оно было разработано позже Леонардом Эйлером, доказавшим, что форму зубьев нужно профилировать по математической кривой эвольвенте. Эта форма чаще всего применяется и поныне.
Среди зубчатых колёс есть лилипуты, есть и великаны. Искусные часовщики давно, ещё 400 лет назад, научились изготавливать часы диаметром пять, шесть миллиметров, часики в виде изящного перстня. Легко представить, какие крохотные шестерёнки имел их механизм, какими микроскопическими были зубцы этих шестерёнок!
А вот другой, противоположный, пример: зубчатое колесо вращающейся цементной печи – трубы длиной 200 м. Чтобы вращать такую печь необходима шестерня диаметром больше 10 м!
Уже к началу прошлого века техника располагала всеми видами зубчатых колёс и передач. Можно сказать, что шестерёнка – одна из основных деталей современных машин.
Планетоходы
Первым небесным телом, на котором после Земли появилось колесо, стала Луна. Произошло это 17 ноября 1970 г., когда на лунную поверхность советским космическим аппаратом «Луна-17» был доставлен первый автоматически действующий луноход.
Создавая его, конструкторы твёрдо не знали, на чём он должен передвигаться: на колёсах или гусеницах. За колёса были их простота и большая надёжность. За гусеницы – высокая проходимость.
Один из создателей первого лунохода вспоминал:
«Наш институт разделился на два лагеря. Страсти так накалились, что ого-го! Чтобы доказать, кто прав, пришлось сделать машины и на гусеницах, и на колёсах. Испытывали их на Камчатке. Знаете, как за этим поединком колеса и гусеницы у нас в коллективе следили! По утрам вместо «Здрасте» спрашивали: «Ну как там?..». Победило колесо».
Но и после этого оставалось много неясного. Как будут работать колёса в условиях вакуума, при огромном перепаде температур, от плюс 150° лунным днём до минус 150° ночью? На Луне сила тяжести в шесть раз меньше земной. Следовательно, сцепление колёс с лунным грунтом – тоже в шесть раз слабее, что также следовало учесть.
Луноход двигался на восьми колёсах с лёгким сетчатым ободом. Каждое колесо имело свой электромотор, расположенный в ступице. Это значительно повышало надёжность аппарата. Первый луноход проработал на Луне более 300 земных суток. Он проехал путь свыше 100 км, передал на Землю 20 тысяч снимков и много научной информации.
Он ещё работал, когда на Луну произвела посадку лунная кабина космического корабля «Аполлон-15» с двумя американскими космонавтами Дэвидом Скоттом и Джеймсом Ирвином. Они привезли с собой четырёхколёсный луноход-электромобиль «Ровер» («Странник») и совершили на нём несколько путешествий по Луне. За Луной последовал Марс. На красную планету опустились автоматические марсоходы – наш и американские. Все – на колёсах. Выходит, и на Марсе без колёс далеко не уедешь…
источник: Геннадий Черненко «Родословная колеса» «Техника-молодёжи» №12 (990) 2015, стр.46-51
