Колело

Колелото е въртящ се около ос механичен елемент с формата на кръг, изграден от плътен материал като диск или от отделни конструктивни елементи, които се въртят около ос. Тоест колелата на автомобила се закрепват към ос, така че да може да се въртят около нея.
В действителност, колелото намира широко приложение в различни области на техниката, освен автомобилната и на велосипедите индустрия, също преди и в компютърните системи, като колело на мишка, макар тези днес да са заменени с оптични мишки.
Все пак обичаен пример за употребата на колела са повечето транспортни средства, при които движещото се при неговото завъртане и търкаляне колело се използва за придвижване, а намаляването на триенето между транспортното средство и повърхността на пътя, по който се движи транспортното средтво се регулира чрез допълнителни автомобилми системи и кострукции.
Повечето изследователи смятат колелото за едно от най-старите и най-важните изобретения в историята на човечеството, които днес са приложими в технологиите. Най-стари сведения за използване на колело са от Месопотамия през 5 хилядолетие пр.н.е. – първоначално като грънчарско колело. Предполага се, че например в Египет, преди да използват колелото, в областта на транспорта са използвали цилиндрични дървени трупи, поставяни под товара за по-лесното му преместване. Според някои историци, за най-старо изображение на устройство, наподобяващо колесно транспортно средство, може да се смята това върху Броноцицкото гърне, открито в днешна Полша и датирано към средата на 4 хилядолетие пр.н.е.
Колелото се разпространява в Близкия изток и Европа през 4 хилядолетие пр.н.е. и достига до Индия през 3 хилядолетие пр.н.е. През 2 хилядолетие пр.н.е. колесниците с олекотени колела с дървени спици (напр. виж днeшни каруци) предизвикват революция във военното дело в Близкия изток. Около 1200 година пр.н.е. те вече се използват и в Древен Китай, което свидетелства за разпространението на колелото и в Азия по това време, а според някои изследователи дори в началото на хилядолетието.
Известни са особено гръцките, римските и египетски колесници, които символизират императорската мощ и слава. С римски колесници са провеждани и надбягвания и гладиаторски боеве, като зрелища. При древните траки може да се види как са погребвали колесници заедно с владетелите си.
Така колелото като средство за постигане на много по-бързо и лесно придвижване на пътници и техните багажи в сравнение с керваните, благодарение на изобретението на колелото, става символ и средство на войната в древността, но също така и символ на императорския и владетелски успех и високото положение в обществото.
Колелото за нетранспортни нужди постепенно прониква от Египет и във вътрешността на Африка. През ранната Античност, например в Нубия, са използвани грънчарски колела, както и водни колела за изпомпване на вода, вероятно задвижвани от волове. Но също така, известно е че нубийците използват и теглени от коне колесници, внасяни от Египет.
Въпреки няколко хилядолетното използване на колелото в Европа, Азия и Африка, също от коренното население на Субсахарска Африка, Австралия и Америка и чак до колониализацията на Америка от европейците не се е познавало и ползвало в транспортни средства с колела от местните индиански племена. Това е свързано с факта, че основните преимущества на колелото се реализират след опитомяването на коня. Все пак конят като животно отсъства от някои части на света. При олмеките и някои други групи са открити подобни на колела предмети от средата на 2 хилядолетие пр.н.е., но това вероятно са детски играчки.
Разпространението на колелото в Древността и по-голямата част от свята става няколко хилядолетия след появата на земеделието. То се отнася към късния неолит, период, от който водят началото си и други технически нововъведения в навечерието на бронзовата епоха. Употребата на древни транспортни средства с колела все пак е широко забавена и от отсъствието на подходящи пътища за тях каквито има развити предимно в Древен Рим. Така в местности без приспособен път и такива с много препятствия пренасянето на продукти от хора и животни дълго време остава с предпочитаният начин на транспорт като кервани. В някои райони липсата на пътища е пречка за колесния транспорт дори през 20 век.
Първите колела са прости дървени дискове с отвор за оста в средата. Колелата със спици са изобретени по-късно и дават възможност за конструирането на по-леки и бързи превозни средства. Най-ранните известни примери за такива колела са от Андроновската култура в началото на 2 хилядолетие пр.н.е. Малко по-късно конните култури в района на Кавказ започват да използват теглени от коне колесници с колела със спици. През 1 хилядолетие пр.н.е. келтите започват да поставят желязна шина по ръба на колелото. Този вид колело остава най-широко използваният до края на 19 век, когато са изобретени пневматичните гумени колела.
Въртенето на колелото около ос значително намалява енергията, с която трябва да се осъществи преместването на един товар.
При преместване на даден товар като се използва плъзгане, тъй като силата на триене е значителна и е насочена в посока обратна на посоката на преместване, а силата на теглото на премествания обект почти пропорционално увеличава силата на триене, което в резултат изисква големи усилия за преодоляване на тези две физични съставки, които са противодействащи на преместването. Въртенето на колелото около ос значително намалява енергията, която е необходима тъй като трябва да се осъществи преместването на товара, поради големите различия при силите, действащи при плъзгане и търкаляне (въртене). Това налага колелото като основен механизъм в редица области от техниката, а работата върху усъвършенстването му продължава.
Геометрията на колелото се основава на геометрията на окръжността. Параметрите на окръжността и колелото са:
По-общата математическа зависимост е:
Задачата за праволинейното равномерно движение е еквивалентна на задачата за въртенето. Променливите: разстояние, скорост и ускорение са еквивалентни на променливите: ъгъл, ъглова скорост и ъглово ускорение. Трите са свързани:
Като обобщим трите се вижда:
Трите съотношения се извеждат от геометрията на колелото, където дължината на дъгата на окръжността зависи от ъгъла на завъртане θ {\displaystyle \theta } в радиани, умножен по радиуса на окръжността, при което при един оборот на колелото то преминава разстояние, равно на периметъра си, което съответно отговаря на ъгъл на завъртане 2π в радиани. Ускорението, което е предизвикано от изменението на посоката на скоростта, може да се намери като се отбележи, че скоростта прави пълно изменение на направлението за време T, за което обекта прави един оборот. Тогава векторът на скоростта преминава път с дължина 2πv на всеки T секунди:
Където:
При движението си върху равна повърхност всяка точка от външната му периферия описва циклоида.
Независимо от разнообразието на приложението си, колелата имат сходна конструкция. Основни елементи са:
Главината е центъра на колелото и обикновено съдържа лагера и там се събират спиците. Там се намира и оста.
Има и вариант на колелото, който може да бъде изпълнен без главина. Това колело е известно като безцентрово ({{lan|en|Hubless wheel}) или задвижвано по периферията. Понякога главината е почти толкова голяма, колкото е колелото.
Спицата е радиално разположен механичен елемент в колело, което свързва главината му с кръглата конструкция на колелото (наплат, капла, метална профилна шина за монтиране на гума, водно колело и др.). Създаването на колела със спици прави конструкцията на колелото много по-лека. Различават се два вида спици – работещи на радиален натиск и работещи на опън.
Това е външната кръгова част на колелото или джантата (на автомобилното колело) (английски: flange), наплати и метални шини при дървените колела, или металния профил върху който се монтира гумата на транспортните средства. При друг вид колела като водното, зъбното, Виенското и други, се прави конструкция в зависимост от предназначението им.
Гумата е пръстеновидно покритие на джантата, което я защитава и подобрява всестранно движението на транспортните средства чрез омекотяване на окачването, абсорбиране на ударите и вибрациите, като в същото време осигурява постоянен контакт с пътя. Основните материали, използвани за производството на гуми, са синтетичен каучук, естествен каучук, тъкани и телове за укрепване, както и други добавки. Състоят се от триеща повърхност и тяло. Триещата повърхност осигурява сцеплението на колелото, а тялото поддръжката на гумата. Преди изобретяването на каучука първите версии са обикновени метални шини около дървените колела, които предотвратяват износването им. Днес основната част от гумите са пневматични надуваеми структури с формата на поничка и с тел и корда, вградени в каучука. Пневматичните гуми се използват в много транспортни средства като автомобили, велосипеди, камиони, самолети и други. Параметрите на гумите, както и качеството на изработка са основен фактор за надеждността на движение на превозното средство като движение при сняг, дъжд, лоши пътища, високи скорости, както и за намаляване на риска при аквапланинг, рязко спиране и други.
Колелото позволява плавателни лодки да се прехвърлят между двете нива.
Двигателното колело представлява агрегат, в който са обединени колелото и вградените в него задвижващ двигател (обикновено електродвигател), силова предавка и спирачна система. Първият подобен автомобил е разработеният от Фердинанд Порше автомобил Lohner-Porsche, както и по-късно разработеният през 1920 година мотоциклет Megola, при който се използва ротационен двигател с вътрешно горене.
Тези колела намират все по-голямо приложение в новите електрически превозни средства, като на първо място това са електрически велосипеди, различни прототипи на електроавтомобили, както и градски автобуси
Устройствата за съхранение на енергия чрез използване на маховик функционират по следния начин: даден ротор (колело с голяма маса) и с голям инерционен момент се развърта и ускорява до много висока скорост от външен енергиен източник и в него се запасява дадено количество кинетична енергия, която след отстраняването на външния източник може да се отдаде обратно. Запасената кинетична енергия може да се използва чрез забавяне на ротора например от [електрически генератор] свързан към ротора и поддържащ даден товар.
Енергията запасена в ротора е пропорционална на инерциония момент на последния и на квадрата на скоростта на въртене:
където
Маховикът е машинен елемент, служещ за намаляване неравномерността при въртене и един от най-ранните акумулатори на енергия. Принципът му на действие се състои в съхраняване на необходимата кинетична енергия през работния процес. Например, при двигател с вътрешно горене това е енергията, необходима за въртене на коляновия вал при подготвителните тактове. Маховикът осигурява възможността на двигателя да преодолява кратковременни претоварвания, както и неравномерността от наличието на само един работен (задвижващ) такт при четиритактовия двигател.
Маховикът представлява масивен чугунен диск със значително удебеляване в периферията (венеца). При двигателите с вътрешно горене, върху периферията му е запресован зъбен венец за въртене на коляновия вал от пусков двигател (стартер, пусков мотор).
В съвременни условия се разработват модерни механични устройства за възстановяване на механичната кинетична енергия на моторните превозни средства (KERS). За направата на по-усъвършенствани маховици се използват влакна от карбон, при които първите могат да се въртят със скорости от 20 000 до 100 000 об./мин. във вакуум. В този случай е необходимо използването на магнитни лагери, тъй като при нормалните лагери триенето е правопропорционално на скоростта на въртене и при такива скорости, много енергия ще бъде загубена от триене. Реално подобни устройства са използвани във Формула 1. Предимството им е, че могат бързо да се развъртят до високи обороти и бързо да отдадат тази енергия обратно.
През 1955 година в Швейцария започва използването на автобуси задвижвани от маховици, наричани още жиробуси. Започва изследване за направата на по-малки, по-леки и по-евтини системи и с по-голям енергиен капацитет. Тези автобуси не успяват да се наложат, но реално се експлоатират тролейбуси, които използват като допълнителен агрегат за придвижване на кратки разстояния подобни устройства. Има данни, че някои от тези тролейбуси са попаднали в България.
Жироскопът е симетрично твърдо тяло, най-често диск (колело), който се върти с голяма ъглова скорост около оста си на симетрия. Основното му свойство е, че оста му се стреми да запази първоначалното си направление в пространството. Поради това се използва най-често за навигация в плавателни съдове и в авиацията за стабилизиране и поддържане на курса чрез така наречения жироскопичен компас.
Гимнастика на колело (немски: Rhönradturnen) е вид гимнастика, която първоначално е развита в Германия.
Гимнастиката на колело се изпълнява на голямо колело, известно като Rhönrad, гимнастическо колело, или Немско колело. Състои се от две колелета с диаметър от 130 до 245 cm паралелно едно към друго и свързани с 6 напречни щанги. Тежат между 40 и 60 kg. Първият международен турнир е проведен през 1930 година. От 1995 година се провеждат световни шампионати по този спорт.
Колонизацията на Космоса е футуристично предстояща колонизация и концепцията за нея е концепция за живот на хората извън пределите на Земята. Това е и основна тема във футурологията, но в същото време е и очаквана дългосрочна перспектива на множество национални програми за овладяване на Космоса. Крайната цел чрез създаването на големи космически кораби, които могат да достигнат до други планети, е населяването на тези отдалечени планети. Една такава футуристична идея е построяването на огромен пръстен, подобен на гигантско колело в космоса, по подобие на пръстена на Сатурн, при въртенето на което да се създава изкуствен вид гравитация в резултат на центробежните сили и целта е да пресъздадат всички нормални условия на живот при участието много хора в тази космическа Одисея. Там може да се създаде напълно балансирана екосистема, която да осигурява кислород, храна и приятна околна среда.
В Индия, тъй като е огромен континент, който граничи с Азия, и особено при навлизането на англичаните на континента колелото започва да се почита и религиозно в допълнение към другите индийски митологични и религиозни символики, като култ към елемент от традиционните дървени индийски коли и в същото време символ на социално преимущество на англичаните. Индия също познава и мореплаването като другият вид прочит на будиските символики за кормило.
Колелото е важна фигура във флага и емблемата на съвременна Индия. В този случай то символизира закона (дхарма). Колелото е поставено на знамето на циганите, като символизира чергарския им живот и индийските им корени. То присъства на емблемата на Монголия, като в този случай се свързва с будизма. На знамената на Ангола, Виетнам, Буркина Фасо през 1984 – 1997 години и Италия са включени зъбно колело или част от него.