Краткий экскурс в историю вопроса

Государственное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа № 591 города Москвы
Проект
По теме:
«Великое изобретение или история колеса»
Кирюнин Андрей
ГОУ СОШ № 591
7 «а» класс
Руководитель проекта:
Учитель физики
ГОУ СОШ № 591
Шило Людмила Леонидовна
Москва
2010 г.
2
Оглавление
1. Краткий экскурс в историю вопроса…………………………..…3 стр.
2. Что такое колесо…………………………………………………...4 стр.
3. Кто придумал или изобрел колесо………………………………..5 стр.
4. Как движется колесо………………………………………………8 стр.
5. История развития транспорта……………………………………10 стр.
6. Блоки и зубчатые передачи……………………………………...12 стр.
7. От водяного колеса до турбины…………………………………13 стр.
8. Заключение……………………………………………………….15 стр.
9. Приложение № 1………………………………………………….17 стр.
10.Приложение № 2………………………………………………….18 стр.
11.Приложение № 3………………………………………………….19 стр.
12.Список используемой литературы………………………………20 стр.
3
Краткий экскурс в историю вопроса
В наш бурный 21 век мы редко задумываемся над тем, что значит часто
звучащее слово – изобретение1. В наше время одним из самых удивительных,
(а для некоторых людей и самым пугающим) аспектов изобретений является
беспрестанно увеличивающаяся скорость, с которой новые идеи и новые
технологии внедряются в практику, новшества устаревают так быстро, что о
многих из них мы забываем, едва успев к ним привыкнуть.
Но есть изобретения, которые не устареют никогда. К ним относится
самое обычное, известное всем с раннего детства колесо (рис.1). Колесо
является великим и древнейшим изобретением человечества.
Цель данной работы, по возможности, показать значение этого
изобретения, показать его влияние на развитие ремесел, транспорта, науки и
техники.
Нам хотелось также, чтобы данная работа стала учебным пособием по
физике на начальном этапе её изучения.
1
См. приложение № 3
Рис. 1
4
Что такое колесо
КОЛЕСО представляет собой сплошной
диск или обод со спицами (рис.2),
вращающийся на оси. Назначение
колеса — передавать или
преобразовывать движение. Обычное,
например, велосипедное колесо (рис.3)
состоит из центральной части, которая
Рис.2
называется ступицей, через которую продета ось, обода и радиально
расположенных спиц, которые одним концом
вставлены в ступицу, а другим скреплены с ободом.
Теоретически колесо можно представить как
бесконечную последовательность рычагов. В
Рис.3
2
велосипедном колесе каждая спица работает как
рычаг , точка опоры которого находится в точке соприкосновения
с землей, а полезная сила и нагрузка одновременно воздействуют
на ось. Благодаря наличию таких рычагов в колесе главным образом
и преодолеваются трение и противодействие нагрузки.
Первое применение колеса, скорее всего, было не для транспортных
средств.
2
Перышкин А.В. Физика. 7 кл.:учеб. для общеобразоват. учреждений/ А.В. Перышкин.-10-е изд., доп.-
М.:Дрофа,2006., стр. 136
5
Кто придумал или изобрел колесо
Вы думаете - сколько лет колесу? В отличие от других великих
открытий человечества возраст колеса известен более или менее точно.
Хотя, что значит – известен? Мы знаем лишь приблизительный возраст
новейших археологических находок, а это вовсе не означает, что спустя
некоторое время мы не обнаружим другую находку, которая окажется
еще старше.
Кто, когда и зачем впервые
придумал колесо, остается одной из самых
больших загадок истории. Самое древнее
колесо (рис. 4) было найдено на
территории Месопотамии 5000 лет назад.
Предшественником колеса можно считать
известный до этого деревянный каток,
который подкладывался под
перемещаемый груз.
Первоначально колесо
представляло собой деревянный
Рис. 4
диск, насаженый на ось и зафиксированный клином. Но как
деревянное колесо могло появиться в Месопотамии, отнюдь не
изобиловавшей лесами?
Подходящие леса были на востоке Турции и севере Ирана. Эти
области и считали родиной колеса, пока археологи не обнаружили в
армяно-грузинском пограничье и верховьях Куры многочисленные и
даже более древние, чем в Междуречье, колесничные захоронение.
Когда из-за строительства Севанской ГЭС в 1978 г. уровень воды
в озере упал, обнаружились погребения с колесницами- тяжелыми и
неповоротливыми. Тянуть их могли только волы.
6
Некоторые ученые стараются доказать, что колесо было изобретено в
Европе. Свою теорию они объясняют трудностями путей в долинах, а также
постоянной добычей леса – именно это, считают они, могло бы послужить
прекрасной подоплекой изобретению колеса как части транспорта.
Хронологические заметки о колесном транспорте в Европе говорят о том, что
здесь он появился не позднее четвертого тысячелетия до нашей эры.
Благодаря кочевникам и миграциям колесо узнали в районе Каспийского и
Черного моря, а уже оттуда оно попало в Месопотамию в конце четвертого
тысячелетия. Это служит объяснением тому факту, что на Ближнем Востоке
не было найдено ни одного следа развития колесного транспорта, хотя
присутствуют несколько абсолютно несхожих видов.
Рис. 5
Хоть они и не изобрели колеса, но ольмеки и представители других
культур западного полушария приблизились к нему. При раскопках
были найдены колесообразные камни, служившие, по всей видимости,
детскими игрушками, и датируемые 1500 годом до н.э. Таким образом,
изобретение колеса (рис. 5) попадает на период позднего неолита и
должно рассматриваться с другими технологическими
7
преимуществами, которые обеспечили расцвет человечества в начале
Бронзового века. Быстро катясь по свету, колесо почти одновременно с
Месопотамией попадает на север. Древние захоронения с повозкой
найдены у Элисты в Калмыкии. А дальше, в степи, ему уже нет границ:
следующее древнейшее колесо нашли в селе Герасимовка
Оренбургской области.
Повозка едет на восток через степи Азии от одних племен к другим
(слово «телега» - монгольского происхождения). Это фиксируют
наскальные рисунки южной Сибири. Кочевники-скотоводы делают
большие крытые повозки - дома на колесах.
В Китае колесо, как составляющая колесницы, появилось в 1200 году
до н.э., но некоторые ученые оспаривают этот факт и относят конные
повозки еще к 2000 году до н.э. Возможно ли параллельное
изобретение колеса в Азии или своеобразный «прыжок» через
Гималайский хребет – до сих пор остается открытым вопросом.
Слова «коло» и «рото» - колесо - были в индоевропейском, общем
предке германских, славянских, романских, иранских языков... Значит,
они возникли на прародине индоариев - в восточной
Турции и северном Ираке в III тысячелетии до н. э.
Но есть и другая гипотеза изобретения колеса.
Горшки - неказистые и кособокие - люди лепили еще за
6000 лет до н. э. Но появился гончарный круг (рис.6)- и
вид посуды резко улучшился. А гончарный круг - это
колесо, положенное набок. Кто заимствовал идею,
возница у гончара или наоборот? Наверное, это мы не
узнаем никогда.
Рис. 6
8
Как движется колесо
Если прикрепить к шине велосипедного колеса цветную бумажку и
наблюдать за ней во время движения велосипеда, то можно заметить, что в
нижней части колеса она видна довольно отчетливо, а в верхней части
мелькает так быстро, что её трудно разглядеть(рис. 7). Следовательно,
верхняя часть колеса движется
быстрее, чем нижняя. Это можно
объяснить тем, что каждая верхняя
точка колеса участвует в двух
движениях: вращательном вокруг оси
и поступательном вместе с осью
колеса. Вверху вращательная скорость
Рис. 7
движения колеса прибавляется к поступательной, внизу вращательная
скорость движения направлена в обратную сторону и отнимается от
поступательной. Вот почему верхние точки колеса перемещаются
относительно неподвижного наблюдателя быстрее, чем нижние.
Из этого эксперимента3 видно, что медленнее всех движутся те точки
колеса, которые в данный момент соприкасаются с Землей, а точнее – в
какой-то момент времени каждая точка колеса остается неподвижной.
Определим теперь траекторию, по которой
движутся верхние и нижние точки колеса. Для
этого прикрепим к небольшому деревянному
кружку воском спичку, так, чтобы она прилегала
к кружку по радиусу и далеко выступала за его
край (рис.8). Если упереть кружок в край
линейки в точке А и начать катить кружок
Рис. 8
справа налево точки Б, С и Д отодвинутся не вперед, а назад.
3
Перельман Я. И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1.-21-е изд., испр. и доп.- М.:Наука.
Главная редакция физико-математической литературы, 1983., стр. 18
9
Чем дальше точка от
края кружка, тем
заметнее она
продвигается назад
при качении кружка
(точка Д перейдет в
точку Д’). Таким
Рис.9
образом, каждая
верхняя точка катящегося колеса описывает кривую линию (рис.9), которая
называется циклоидой4. Каждая нижняя точка колеса совершает
одновременно возвратное движение и движется по так называемой
удлиненной циклоиде5.
4
5
Уравнение циклоиды см. в приложении № 1
См. приложение к работе № 2
10
История развития транспорта
Еще древний человек, занимаясь охотой, обнаружил, что гораздо легче
переносить добычу, погрузив её на некоторое подобие саней, чем на
собственной спине.
Позднее стало ясно, что если бревна использовать как катки, то можно
перемещать более тяжелые грузы. Дисковое колесо, прикрепленное к
платформе простой осью – прямой потомок колеса. Как мы уже замечали,
что впервые колесо нашло применение в Месопотамии около 5 тыс. лет
назад. Колесный транспорт с
бычьей тягой постепенно
совершенствовался и
распространялся в
Средиземноморье, Европу и Китай.
На рисунке изображена легкая А-
Рис. 10
образная двухколесная бычья упряжка, которой пользовались в Армении за 2
тыс. лет до н.э. (рис. 10) 6
Колесный транспорт развивался по мере того, как налаживались связи между
народами. Первые экипажи
Рис. 11
имели жесткие оси, затем
появилась упругая подвеска на
гибких деревянных планках, а
позднее на кожаных ремнях.
Для быстрых коротких
переездов потребовались
небольшие облегченные
6
Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г., стр.116
11
экипажи (рис. 11). Появились новые виды транспорта: кэбы, трамваи,
омнибусы, которые также не могли обойтись без колес.
В 60-х годах 19-ого века стали популярными
велосипеды с педальным приводом (рис. 12).
Конструкция велосипедов совершенствуется,
и по многим причинам велосипеды
становятся все более популярными в 21 веке.
Рис. 12
Мотоциклы (рис. 13) , появившиеся
раньше автомобиля, тоже не могут
обойтись без колес.
С изобретением двигателя
внутреннего сгорания, около 100 лет
Рис. 13
назад, началась очередная страница в
жизни колеса. В жизни человека появился автомобиль(рис.14-16), и началась
бесконечная модификация автомобильного колеса.
Вообще говоря, невозможно в маленькой работе упомянуть о всех
видах транспортных средств и военной техники, где важнейшей частью
конструкции является колесо.
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 16
12
Блоки и зубчатые передачи
Зубчатые передачи (рис. 17), шкивы и блоки
– это колеса, предназначенные для передачи
движения. Это один из древнейших механизмов,
изобретенных человеком. Зубчатые передачи на
деревянных шпильках приводили в движение
мельничные жернова в средние века, работали на
ветряных мельницах и в шахтах. Как полагают,
блоки были известны уже в 9 в до нашей эры.
Блок и шкив – это колесо с тросом, цепью
или ремнем. Шестерня – это колесо, на ободе
которого нарезаны зубья. Шестерни могут
изменять направление вращения под прямым углом. Если диаметры Рис. 17
шкивов или зубчатых колес различны, то и скорости их вращения
изменяются.
Как шкивы, так и зубчатые передачи могут передавать
вращательное движение между двумя или более
валами. Если валы расположены близко к друг к
другу как, например, в часах, или в автомобильном
двигателе, то обычно используется зубчатая
передача.
Блоки (рис. 18) чаще используют в тех
случаях, когда валы расположены далеко друг от
Рис. 18 друга. Системы блоков тали и полиспаты7 широко распространены и
используются для перемещения с выигрышем в силе. Усилие человека,
поднимающего груз, умножается серией из нескольких блоков, так что
появляется возможность в ручную поднять более тяжелые грузы.
7
Перышкин А.В. Физика. 7 кл.:учеб. для общеобразоват. учреждений/ А.В. Перышкин.-10-е изд., доп.-
М.:Дрофа,2006. , стр. 146
13
От водяного колеса до турбины
Ветряная мельница и водяное колесо – древнейшие двигатели. Водяные
колеса использовались в Древнем Риме в 70 –е г.г. до н.э. для помола зерна.
Современное водяное колесо в виде гидротурбин для приводов
электрогенераторов сейчас широко используется, а ветряные двигатели
возрождаются вновь.
Водяное колесо или
турбина преобразуют
энергию потока воды во
вращательное движение.
Первые водяные колеса
были подливными (рис. 19),
то есть нижняя половина
Рис. 19
колеса просто погружалась
в поток. КПД таких колес составлял
только 30 %.
Наливные колеса (рис. 20), в
которых поток воды натекает на
верхнюю часть колеса, имеют КПД
70-90%, что близко к КПД
современных турбин.
Во второй половине 19 века
водяные колеса сменились
турбинами. Турбины бывают:
активные (рис. 21), реактивные
(рис. 22) и осевые (рис. 23).
Рис. 20
Для активных турбин требуется высокий напор воды. Падающая вода
направляется в сопло и истекает из него в виде высокоскоростной струи, с
14
силой ударяющей в «ковши» на внешней стороне колеса. Реактивная турбина
работает по принципу сегнерова колеса, которое вращается за счет реакции
вытекающей струи. Осевая турбина имеет рабочее колесо с поворотными
лопастями, расположенная внутри трубы большого диаметра. 8
Рис. 21
Рис.22
Рис. 23
8
Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г.,стр.67
15
Заключение
В процессе исследовательской работы над проектом «Великое
изобретение или история колеса» мне пришлось познакомиться с
различными источниками информации – литературными, интернет ресурсами, видео источниками и аудио источниками. Я пришел к
следующим выводам.
Если следовать строгой формуле изобретения9, то колесо назвать
изобретением нельзя: неизвестен автор, неизвестна страна и время
изобретения, нет точного описания предмета изобретения, не выдан патент.
Изучая исторические документы, я пришел к выводу, что невозможно
назвать местность, которую можно было бы назвать родиной колеса.
Поэтому колесо можно считать великим изобретением всего
человечества. В своей работе я показал, как со временем менялась
конструкция самого колеса. Сейчас трудно дать только одно строгое
определение колесу, т.к. очень много их различных конструкций, которые
применяются только в различных видах транспорта. Конечно, в такой
маленькой работе рассмотреть все механизмы, где применяются различные
типы колес, невозможно.
Вообще говоря, я пришел к выводу, что авторство и страна
происхождения многих изобретений, связанных с использованием колес,
останутся, скорее всего, неизвестными.
В историческом плане изобретение колеса оказало значительное
влияние на нашу цивилизацию. Развитие цивилизации Древнего Египта и
Месопотамии, например, историки напрямую связывают с изобретением
письменности и колеса. Водяные колеса, деревянные зубчатые передачи,
блоки были известны с древних времен. Позже стал развиваться колесный
транспорт с бычьей тягой, который постепенно совершенствовался и
9
См. приложение № 3
16
распространялся в Средиземноморье, Европу и Китай. В работе я довольно
подробно рассказал о развитии транспорта.
В этой связи самым удивительным мне показалось то, что наряду с
современными видами транспорта в обиходе землян в 21 веке осталось место
повозкам и телегам с бычьей тягой.
В результате деятельности по данному проекту я пришел к выводу, что
колесо является одним из великих изобретений, оказавшим колоссальное
влияние на историческое развитие всего человечества.
17
Приложение № 1
Циклоида
История исследования циклоиды связана с именами таких
великих учёных, философов, математиков и физиков, как
Аристотель, Птолемей, Галилей, Гюйгенс, Торричелли и др.
Циклоида10 (от греческого - круглый) - плоская трансцендентная
кривая, описываемая параметрическими уравнениями
x = r t - r sin t ,
y = r - r cos t .
Уравнение циклоиды в декартовых координатах:
Представляет собой траекторию точки окружности радиуса r ,
катящейся без скольжения по прямой (в приведённом примере
такой прямой является горизонтальная ось координат).
10
Цикунов А.Е. Сборник математических формул/ А.Е Цикунов,- М.:ООО «МТ-Пресс», 2001,87 стр.
18
Приложение № 2
ТРОХОИДА11 (от греч. trochoeides - колесообразный, круглый, от trochos
- колесо, круг и eidos -вид) - плоская трансцендентная кривая; траектория
точки М, жестко связанной с окружностью, катящейся без скольжения по
прямой, причем вычерчивающая точка находится на расстоянии h от центра
производящей окружности. При h>r трохоида называется удлиненной
циклоидой (рис.1.)
Рис. 1
Параметрическое уравнение удлиненной циклоиды имеет вид:
x = at - в sin t, y = a - в cos t
Математический энциклопедический словарь./ Гл. ред. Ю.В. Прохоров; Ред. кол.: С.И. Адян, Н.С.
Бахвалов, В.И. Битюцков, А.П. Ершов, Л.Д. Кудрявцев, А.Л. Онищик, А.П. Юшкевич.- М.: Сов.
энциклопедия, 1988. - 847 с., ил
11
19
Приложение № 3
Изобретение — техническое решение, обладающее новизной,
практической применимостью, полезностью для хозяйственной
деятельности. Чтобы быть признанным изобретением, это решение также
должно иметь изобретательский уровень, то есть, не быть очевидным,
исходя из текущего уровня знаний специалистов. В настоящее время
объектами изобретения могут признаваться: устройство, способ, вещество,
штамм микроорганизма, культуры клеток растений и животных, а также
новое применение известного ранее устройства, способа, вещества, штамма.
Изобретение является объектом промышленной собственности. Права
на изобретение защищаются патентным правом. В силу закона, автор
изобретения получает монопольное право на использование своего
изобретения. Это право ограничено определённым сроком, а также
некоторыми другими условиями. Это право может быть переуступлено
автором иному лицу. Право на изобретение возникает при его
государственной регистрации. Документом, подтверждающим право на
изобретение, является патент.
20
Список используемой литературы:
1. Интернет ресурсы:
a. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BB%D0
%B5%D1%81%D0%BE
b. http://www.ktopridumal.ru/
c. http://www.popmech.ru/article/2841-chelovek-kotoryiy-izobrelkoleso/
2. Математический энциклопедический словарь./ Гл. ред. Ю.В.
Прохоров; Ред. кол.: С.И. Адян, Н.С. Бахвалов, В.И. Битюцков, А.П.
Ершов, Л.Д. Кудрявцев, А.Л. Онищик, А.П. Юшкевич.- М.: Сов.
энциклопедия, 1988.
3. Перельман Я. И. Занимательная физика. В двух книгах. Книга 1.-21-е
изд., испр. и доп.- М.:Наука. Главная редакция физико-математической
литературы, 1983.
4. Перышкин А.В. Физика. 7 кл.:учеб. для общеобразоват. учреждений/
А.В. Перышкин.-10-е изд., доп.-М.:Дрофа,2006.
5. Цикунов А.Е. Сборник математических формул/ А.Е Цикунов,М.:ООО «МТ-Пресс», 2001
6. Человек и машины: Пер. с анг.-М.: Мир, 1986 г.