Rad

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Das Rad ist ein scheibenförmiger Gegenstand mit idealerweise kreisförmiger Kontur, der um eine Achse, die senkrecht auf der idealisierten Kreisebene steht, drehbar gelagert ist und am häufigsten als Wagenrad verwendet wird.
Seine Erfindung und Verwendung an Karren oder Wagen war ein für die Entwicklung der technischen Kultur in der Urgeschichte wichtiges Ereignis.
Von wesentlichem Vorteil ist das Abrollen seines Umfangs auf dem Untergrund.
Gleiten findet nur noch in den geschmierten Lagern statt.
Der Rollwiderstand auf festem, trockenem Boden und der Gleitwiderstand in den Lagern sind gemeinsam wesentlich kleiner als der Gleitwiderstand bei der Verwendung einer Stangenschleife oder eines Schlittens zum Transport einer Last über trockenen Boden.
Der Materialabrieb ist ebenfalls kleiner als beim Schleifen.
Fahrzeuge und Gespanne mit Rädern und Zugtieren wurden zum gut verfügbaren und langlebigen Transportmittel der Vor- und Frühgeschichte für Lasten und Personen.
Schon während der Bronzezeit wurde das Rad von der Scheibe zum leichteren Speichenrad weiterentwickelt.
Die Speichenform entstand durch Ersatz von Teilen der Scheibe zwischen der Nabe und dem außenliegenden Radkranz durch druck- bzw. zugfeste, oft speziellere Materialien und eine oft anspruchsvolle Verbindungstechnik.
Zu den einfachen Maschinenelementen zählt das sich nur drehende Rad (zum Beispiel Handrad, Lenkrad).
Ein Fahrzeug-Rad ist heute ein komplexes technisches Bauteil.
Rad (nhd. und ahd.) ist mit lateinisch rota und dem Sanskrit-Wort ratha, "Wagen", urverwandt.
== Geschichte
Lange galt die sumerische Kultur als Ursprung.
Heute liegen die Datierungen von Funden bzw. Darstellungen von Wagen und Rädern aus Mitteleuropa und Osteuropa wie auch aus Mesopotamien für die Mitte des 4. Jahrtausends v. Chr. nahe beieinander.
Eine genauere zeitliche und örtliche Einordnung der Erfindung ist noch nicht möglich.
Im präkolumbischen Amerika und in Australien war das Rad für Transportmittel unbekannt.
Etwas früher oder gleichzeitig wurde die ebenfalls mit Gleitlagern versehene, schnell rotierende Töpferscheibe bekannt.
Ein Hinweis darauf, dass das Maschinenelement Gleitlager jetzt gut beherrscht wurde: Schmierung und geringes Spiel.
=== Ältere Transportgeräte
Die ersten Transportgeräte, mit denen man Lasten zu Lande befördern konnte, ohne sie zu tragen, waren Schlitten und Stangenschleifen.
Bei der Schleife ist allerdings ein Teil der Last und des Konstruktionsgewichtes zu tragen, sie hatte als Vorteil gegenüber anderen Transportmitteln eine gute Geländegängigkeit.
Bei der Benutzung von Schlitten und Stangenschleifen war in der Regel ein hoher Gleitwiderstand zu überwinden.
Ein Transport auf Rollen bzw. Walzen war nur auf gut vorbereitetem Untergrund und kurzen Strecken möglich.
Nachgewiesen ist rollender Transport aus dem bronzezeitlichen Ägypten.
Nachteilig war, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder hinten weggenommen und vorn wieder vor den zu befördernden Gegenstand gelegt werden mussten.
Aber man konnte vergleichsweise hohe Lasten verlagern, da diese sich auf eine größere Fläche verteilen, als sie in den Gleitlagern des späteren Rades vorliegt.
Der Walzentransport wird auch heute noch für spezielle Zwecke wie die Verlagerung von Gebäuden oder Extremlasten über kurze Strecken eingesetzt.
=== Älteste Nachweise des Rades
Das drehbar befestigte Rad, also "unendlich" drehbar um eine Achse, konnte mit Steinwerkzeugen angefertigt werden.
Als Erste wendeten anscheinend im 5. Jahrtausend v. Chr. Töpfer am Indus dieses Prinzip bei der Keramikherstellung als Töpferscheiben an.
Die ältesten Hinweise finden sich in Form von Miniaturrädern aus Ton nördlich des Schwarzen Meeres bereits vor 4000 v. Chr.
Die Hinweise verdichten sich ab Mitte des 4. Jahrtausends über ganz Europa in Form von Wagenmodellen.
Weitere mittelbare Hinweise auf die Anwendung als Wagenrad fanden sich z. B. in Form von Einritzungen auf einem Gefäß der Trichterbecherkultur in Bronocice bei Powiat Pinczowski (Polen).
Als weiterer indirekter Nachweis gilt eine Fahrspur aus der Mitte des 4. Jahrtausends v. Chr. in einem Hünenbett bei Flintbek (Kreis Rendsburg-Eckernförde).
Erste unmittelbare Funde von Karren, Rädern, Wagen oder deren Modellen gibt es aus der zweiten Hälfte des 4. Jahrtausends v. Chr. in Europa, z. B. im Rahmen der Trichterbecherkultur sowie der Badener Kultur, im Alpenvorland, im nordwestlichen Kaukasus (Maikop-Kultur), sowie in Mesopotamien und Vorderasien.
Dabei handelte es sich um ein- oder mehrteilige Scheibenräder mit Durchmessern zwischen 40 und 80 cm, mit fester, loser oder ohne Nabenbuchse oder fester Achse (und quadratischen Achslöchern).
Die ältesten Funde waren überwiegend zweiachsige Fahrzeuge.
Die Funde stammen entweder aus Beisetzungen in Wagengräbern oder sind Moorfunde.
Die älteste gut datierte Rad-Achsen-Kombination stammt von Stare Gmajne im Laibacher Moor bei Ljubljana in Slowenien, dessen Rad im 2-Bereich in die Jahre 3340-3030 cal BC, die Achse auf 3360-3045 cal BC datiert wurden.
Ein wenig jüngeres Rad wurde im Federseemoor in Seekirch-Achwiesen gefunden.
Es ist rund 5000 Jahre alt und aus zwei Teilen zusammengefügt.
Die Überreste zweier Wagen wurden in Ost-Georgien unter einem Grabhügel in Ananauri (Region Kachetien) ausgegraben und auf ca. 2400 +/- 150 v. Chr. datiert.
Wahrscheinlich gehört dieser Kurgan einem Anführer aus der letzten Phase der Kura-Araxes-Kultur an, die deutliche Verbindungen zur Maikop-Kultur hat.
Genauere Untersuchungen stehen noch aus.
Im Grab befanden sich neben Obsidian und Flintstein auch Bernsteinperlen.
Dies stützt die These, dass der Wagen lange vor dem Pferd aus dem nördlichen Raum kam und mit der Verbreitung der Kura-Araxes-Kultur den Weg nach Süden nahm.
Die Datierungen der Fundorte erlauben derzeit keine Entscheidung über einen Ursprungsort der Rad- und Wagen-Technik.
=== Nutzungsspuren
Eines der vier Scheibenräder von Glum aus der Bronzezeit wies eine Scheuerfurche auf, die nicht auf dem gesamten Drehkreis eingearbeitet war.
Sie wurde vom Wagenkasten verursacht, der das schief laufende ("eiernde") Rad abnutzte.
Eine kürzere Furche auf der anderen Seite zeigt, dass man das Rad auch gedreht aufgesteckt hat.
Der Rand der Lauffläche wurde abgeschrägt oder abgerundet.
Einige Teilflächen waren so gut erhalten, dass glättende Hiebe eines Werkzeugs erkennbar sind.
Das aus Erlenholz erstellte Rad gehörte zu einem Wagen, dessen Vorderachse nicht schwenken konnte.
Beim Ändern der Fahrtrichtung schleiften die Zugtiere den Vorderwagen zur Seite, bis die Deichsel in die gewünschte Richtung zeigte.
In den Buchslöchern der Räder steckten aus Birkenholz gefertigte Buchsen, die durch ihr (weiches) Material anzeigen, dass der Wagen nicht für längeren Gebrauch bestimmt war.
Querkräfte (zum Beispiel bei Richtungswechsel) verursachten eine trichterförmige Aufweitung der Enden.
Aus anderem Fundmaterial ist zu erschließen, dass die Räder von abgestellten Wagen abgenommen wurden, um die Elastizität der Achsen aus Holz zu erhalten.
=== Weiterentwicklungen
Schon in der Steinzeit begann man, das hohe Gewicht der Scheibenräder durch Auskehlungen zu vermindern.
Ob die mit symbolträchtigen Mustern ausgekehlten Räder allerdings für den Lastentransport geeignet waren, ist zweifelhaft.
Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die um 2000 v. Chr. im Orient eingeführt wurde.
Mit dem stabilen und leichten Speichenrad baute man so genannte Streitwagen, also zweirädrige Fahrzeuge, die eigentlich Karren heißen müssten.
Da Zweirädrigkeit eine gute Methode war, das Gewicht zu vermindern, wurden später auch anspruchsvollere Einachser gebaut.
Hatten die ersten Speichenräder bronzene Speichen, so baute man im weiteren Verlauf der Bronzezeit und danach überwiegend hölzerne Speichenräder, an denen nur die auf der Achse reibende Innenfläche der Radnabe und die äußere Lauffläche der Felge mit Metall beschlagen war.
Metallspeichen wurden erst ab dem 19. Jahrhundert wieder führend, sei es wegen höherer Lasten und Geschwindigkeiten wie im Eisenbahnverkehr, sei es, nachdem die Erfindung des Speichensturzes es erlaubte, sehr leichte stabile Räder mit dünnen gespannten Drahtspeichen zu bauen, wie sie heute vor allem beim Fahrrad üblich sind.
=== Das Rad in der Neuen Welt
In Mesoamerika erfanden die Maya das Rad.
An Tempeln ist es auf Steinornamenten auch als Speichenrad oder Zahnrad zu sehen.
Wie bisher aus Funden belegt, nutzten sie dieses aber nur in Anwendungen, die keine Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Ethnologischen Museum Berlin).
Schon in präkolumbischer Zeit benutzten sie Räder, sogar Zahnräder, in mehr oder weniger feinmechanischen Geräten.
Gebrauchsfähige Wagen sind aber in den altamerikanischen Kulturen bislang nicht nachgewiesen.
Dies beruht höchstwahrscheinlich auf dem Mangel an geeigneten Zugtieren (Pferde, Ochsen, Esel).
== Materialien
Als Material wurde jahrtausendelang nur Holz verwendet.
Die ersten Speichenräder hatten bronzene Speichen, im weiteren Verlauf der Bronzezeit und danach überwogen hölzerne Speichenräder, an denen nur die auf der Achse reibende Innenfläche der Radnabe und die äußere Lauffläche der Felge mit Metall beschlagen war.
Fortschritte in der Metallurgie hin zu immer beständigeren Metallen fanden dann auch hier Verwendung.
Erst mit der Erfindung der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors, die höhere Transportleistungen und Geschwindigkeiten ermöglichten, wurden die Räder vollkommen in Eisen, später aus Stahlblech zusammengeschweißt als Felge ausgeführt.
Die geschmierten Nabenhülsen wurden durch Wälzlager ersetzt.
Räder für geringe Belastungen wurden in Leichtbauweise mit Drahtspeichen versehen, die vorgespannt und auf Zug belastet werden.
Die Ausbildung der Räder wurde immer auf die zu befahrende Oberfläche (erst später Wege und Straßen) abgestimmt, bzw. die Oberfläche entsprechend den erhöhten Anforderungen verbessert.
So entstanden:
Spezielle Entwicklungen des Rades für andere Transportmittel als Straßenfahrzeuge sind:
Heute werden Hartgummireifen auf Stahlrädern als Stützräder z. B. für Kettenfahrzeuge, für Karusselle, für Seilbahnen und Sessellifte oder bei Industriefahrzeugen wie dem Gabelstapler verwendet.
Kunststoffräder mit oder ohne Metallnabe oder Wälzlager, oft ohne Gummireifen, gibt es für fahrbare Tische, Gerüste, Leitern (auch oben), Möbel, Hubwagen für Euro-Paletten und Einkaufswagen (auch mit Stegen zum Verkrallen auf Rollsteigen).
Meist präzise aus Kunststoff gefertigte Räder dienen in der Feinmechanik zur Kraftübertragung etwa auch auf Schalter.
== System Rad und Achse
Das System Rad und Achse wird vor allem für Transportmittel angewandt; zum einen an Fahrzeugen, zum anderen als Kraftumlenkung an Hebezeugen.
Achsen dienen zum Tragen von Lasten und werden deshalb hauptsächlich auf Biegung beansprucht; Wellen übertragen Drehmomente und werden deshalb hauptsächlich auf Verdrehung (Torsion) beansprucht.
=== Räder für Fahrzeuge
Werden Räder mit Hilfe von Lagern rotierend auf Achsen - heute meist nur auf Achszapfen - eines Fahrzeugs montiert, so wird damit im Vergleich zum Schleifen des zu transportierenden Gegenstandes über eine zurückzulegende Strecke eine wesentliche Verminderung der Reibungskräfte und damit ein Energie sparender Transport von schweren Gütern bzw. eine schnelle Fortbewegung von Gütern und Personen, primär auf relativ ebenen Trassen, erzielt.
Zum Vergleich: Um eine Stahlplatte von 100 kg Masse über eine Strecke von zehn Meter zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten:
Die jeweilig auftretende Reibkraft ergibt sich aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert.
Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauer Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl (glatt) 0,1.
Beim Schleifen wirkt die Reibungskraft am rauen Boden die ganze Zehn-Meter-Strecke weit, somit ergibt sich die Arbeit Ws zu
W s = 100 k g * 9 , 81 N k g * 0 , 5 * 10 m = 4905 J {\displaystyle W_{\mathrm {s} }=100\,\mathrm {kg} \cdot 9{,}81{\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {kg} }}\cdot 0{,}5\cdot 10\,\mathrm {m} =4905\,\mathrm {J} }
Beim Fahren mit Rädern vom Durchmesser 1000 mm und Achsdurchmesser 50 mm reduziert sich der Weg der Stahlnabe, die sich an der Stahlachse reibt, im Verhältnis der Durchmesser und somit ergibt sich die Arbeit Wf zu
W f = 100 k g * 9 , 81 N k g * 0 , 1 * 50 m m 1000 m m * 10 m = 49 , 05 J {\displaystyle W_{\mathrm {f} }=100\,\mathrm {kg} \cdot 9{,}81{\frac { \mathrm {N} }{\mathrm {kg} }}\cdot 0{,}1\cdot {\frac {50\,\mathrm {mm} }{1000\,\mathrm {mm} }}\cdot 10\,\mathrm {m} = 49{,}05\,\mathrm {J} }
(zur Dimensionsbetrachtung: ein Newtonmeter ist äquivalent zu einem Joule)
Selbst wenn wir die zusätzliche Arbeit, die auf Grund der Masse des Wagens und des Rollwiderstandes der Räder am Boden zu leisten ist, in der Größenordnung der Arbeit Wf selbst annehmen und addieren, ist die Einsparung an Energie (Arbeit) enorm.
Bei hohen Geschwindigkeiten ist eine weitere Eigenschaft des Rades entscheidend:
Der gyroskopische Effekt bewirkt, dass das Rad sich wie ein Kreisel stabil um seine Achse dreht und dem Fahrzeug dadurch zu einem stabilen Geradeauslauf verhilft.
Beispiele dafür:
=== Fahrzeuge mit dem Suffix bzw. Präfix "rad"
Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei
== Sonderfälle
Das Abrollen des Feuerrades von einem Berg oder Hügel ist ein Volksbrauch, der noch heute zu Weihnachten, Neujahr, Karneval, Ostern oder Pfingsten von Gemeinden, unter anderem im Friaul, Odenwald, Sauerland, Spessart, Tessin, Tirol und im Weserbergland gepflegt wird.
Zum Abrollen des Feuerrades wird zuvor ein mannshohes Rad mit Stroh an den Seiten gestopft.
Bei Dunkelheit wird das Stroh entzündet und das Rad, von den jungen Männern des Dorfes an zwei Birkenstämmen geführt, einen Hügel hinuntergerollt.
Es wird angenommen, dass das Feuerrad in vorchristlichen Zeiten ein Frühlingsbrauch zum Äquinoktium gewesen ist, der sich nach der Christianisierung in die Verbindung mit der Fastenzeit in Südwestdeutschland und mit der Osterzeit im nördlichen Deutschland aufspaltete.
Auf ein solches Fest zum Frühlingsäquinoktium weist auch die Chronik des Klosters Lorsch hin.
Am 21. März 1090, also genau zum Termin der Tagundnachtgleiche, wurden durch einen solchen Feuerbrauch Brände in großen Teilen des Klostergebäudes ausgelöst.
In China wurden Fahrzeuge mit ovalen Rädern ausgerüstet, um zum Vergnügen der Mitfahrer diese eine Berg- und Talfahrt erleben zu lassen.
Solche Erlebnisfahrt boten bei uns noch Jahrmärkte in den 1920er Jahren, heute bieten uns diese noch manche Karusselle.
Elliptisches Zahnrad: Werden zwei gleiche elliptische Zahnräder kombiniert, so bleibt der Achsabstand im Betrieb konstant.
Die Räder drehen um einen der beiden Brennpunkte der Ellipsen.
Das Übersetzungsverhältnis variiert über eine Umdrehung um den Mittelwert i=1. Ist nur ein Rad elliptisch, so muss ein Rad auf einer Schwingachse montiert sein.
Verwendet werden solche Zahnräder zum Beispiel in Webmaschinen.
In den 1980er und 1990er Jahren hatten manche Fahrräder ein elliptisches Kettenblatt (Biopace).
Ein weiterer Sonderfall, der nicht der Fortbewegung dient, ist das Riesenrad, ein Fahrgeschäft auf Jahrmärkten.
== Räder für die Kraftumlenkung
Um Kräfte an Hanf- oder Drahtseilen angreifend umzulenken, werden Räder, bei diesen Anwendungen oftmals Rollen genannt, stationär auf Achsen installiert.
Der Radkranz ist hier mit einer umlaufenden Nut versehen, um dem Seil Führung zu geben.
Beispiele sind:
== System Rad und Welle (Radsatz)
Wird die Nabe des Rades fest auf einer gelagerten Welle installiert - siehe Welle-Nabe-Verbindung -, kann es der Übertragung von Drehmomenten dienen bzw. Antriebskräfte entlang eines Weges übertragen.
Für diesen Zweck wurden die Bestandteile des Rades zu verschiedensten Formen abgewandelt.
Auch kann das Rad als Energiespeicher eingesetzt werden (Schwungrad).
Schienenfahrzeuge fahren meist auf Radsätzen, also auf durch eine Achse fest verbundenen Rädern.
Diese Konstruktion ermöglicht die Benutzung größerer und robusterer Radlager und führt in Kombination mit konischen Laufflächen zum Sinuslauf.
== Überträger von Drehmomenten
Zum Übertragen von Drehmomenten wird der Radkranz entsprechend der Antriebsart gestaltet:
Zusammengehörige Reib- oder Zahnräder drehen die Drehrichtung um.
Bei Riementrieben geschieht das durch um 180° verdrehte Riemen; um 90° gedrehte Riemen ermöglichen eine Drehung der Rotationsebene aus der horizontalen in die vertikale.
Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des angetriebenen Rades, im Vergleich zum antreibenden, können die Winkelgeschwindigkeiten und entsprechend den Hebelgesetzen die Drehmomente der Funktion angepasst werden.
Besonders bei Zahnrädern wurden Verbesserungen bei Wirkungsgrad, Formschluss und Verschleißfestigkeit bei den Ausführungen in Abhängigkeit von den zu den jeweiligen Zeiten gegebenen Werkstoffen und Verarbeitungsmöglichkeiten ersonnen:
=== Das Rad in Arbeitsmaschinen
Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:
=== Das Rad zur Drehmomenterzeugung in Kraftmaschinen
Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim
=== Funktion als Energiespeicher
Als Energiespeicher (Schwungrad, Rotationsenergiespeicher) wird das Rad entsprechend der aufzunehmenden Energie mit genügend großer Masse ausgeführt.
Es wird bei Maschinen, welche hin- und hergehende Bewegungen in rotierende Bewegungen umwandeln, verwendet, um Drehmomentschwankungen auszugleichen.
Schwungräder verhindern, dass solche Maschinen auf Grund eines Totpunktes oder zeitweise fehlender Antriebskraft zum Stillstand kommen.
Anwendungen:
== Trivia
John Keogh aus Hawthorn, Victoria (Australien), meldete das Rad 2001 zum australischen Innovationspatent an, wobei Innovationspatente nur registriert und nur auf Antrag geprüft werden.
Er und das australische Patentamt, das ihm das Innovationspatent #2001100012 ausstellte, erhielten dafür den satirischen Ig-Nobelpreis für Technik 2001.

Klexikon (einfache Sprache):
Ein Rad ist ein Gegenstand in Kreisform.
In der Mitte des Gegenstandes kann man eine Achse anbringen.
Die ersten Räder waren meist aus Holz.
Befestigt man am anderen Ende der Achse, einem länglichen Stab, ein zweites Rad, kann man damit schwere Lasten transportieren.
Damit die Ladung nicht rutscht oder herunterfällt, baut man über die Achse einen Wagen.
Das Rad ist eine der wichtigsten Erfindungen der Welt.
Bevor es das Rad gab, konnte man zum Beispiel einen Schlitten bauen und diesen ziehen.
Auf einem trockenen Boden war das recht schwer.
So rieb der Schlitten gegen den Boden und ging bald kaputt.
Das Rad wurde in den frühen Hochkulturen erfunden, vor etwa 5000 Jahren.
Es stammt aus Europa und aus Mesopotamien, das liegt im heutigen Irak.
Schließlich verwendete man das Rad überall, um etwas zu transportieren.
Bevor Christoph Kolumbus nach Amerika kam, war das Rad dort unbekannt.
Das Fahrrad, das oft auch kurz Rad genannt wird, gibt es  erst seit dem 19. Jahrhundert.