Что такое колесо

 Что такое колесо? Страшная загадка. Начнем, как древние начинали обед, ab ovo - «от яйца». А именно - от колеса, без которого о велосипедах не пришлось бы даже и говорить. Простой вопрос - что такое колесо, зачем оно на самом деле нужно, и как работает, способен поставить в тупик почти любого в век компьютеров и интернета. А в XIX веке об этом знал каждый первый «хорошист», но то был век угля, пара и механики.

 Как это было раньше:

Представим себе велосипед, он же байк, первой половины XIX века, утеху молодых английских аристократов, сливок тогдашнего общества. Крепкая свежесрубленная деревянная рама из ценных пород дерева, мягкое плюшевое сиденье и пара тщательно сделанных, изящных деревянных колес диаметром 1 метр, надетых на деревянные 3-сантиметровые оси. Никаких, разумеется, шариковых или роликовых подшипников нет, а смазку, как назло забыли положить. Итак, юный денди обкатывает свой новый велосипед. Отталкиваясь ногами от деревянной же мостовой, с легким скрипом он «стремительно» летит вперед.

  Проделаем эксперимент - остановим денди. Как? Элементарно. Палки в колеса, и порядок! А затем попробуем сдвинуть его с места дружными усилиями. Попробовали - тяжело! Если денди вместе с байком весит 100 кг, то нам надо приложить аж 60 кг силы! Хорошо, освободим колеса. Теперь байк с седоком можно легко катить «одной левой», прикладывая всего-навсего усилие, равное 1,8 кг. Удивительно! И тем более удивительно, что по сути ничего не изменилось. Деревянная ступица все так же скользит без смазки по деревянной оси. То же самое деревянное колесо скользит по деревянной мостовой. Трение, вес - все то же самое (вес колес для простоты не учитываем). А разница в прилагаемых усилиях гигантская — более чем в 33 раза! Но почему?

 Как это работает:

Объяснение сему факту весьма простое. Надев колесо большого диаметра на ось, мы не меняем силу трения между втулкой и осью, однако мы меняем энергию, которую необходимо затратить, чтобы переместить предмет, в данном случае - велосипед, на заданное расстояние по ровной дороге. Действительно, прикинем: диаметр колеса (1 м) больше, чем диаметр оси (3 см) в 33,3 раза. При перекатывании байка на 10 метров трущиеся поверхности в системе «ось-втулка» проскользнут друг по другу только на 30 см.

Вероятно, в этом все и дело! Надев колеса на оси, мы меняем не силу трения между поверхностями оси и втулки, а расстояние, на котором действует эта сила. Меньше расстояние, значит, меньше работа, на совершение которой надо потратить меньше энергии. Но раз система «колесо-ось» расходует на преодоление заданного расстояния меньше энергии, то и сила тяги, которую надо приложить к этой системе для приведения ее в движение, будет меньше. Аналогия здесь прозрачная. Гайка дерлсится на болте силой трения. Открутить ее рукой невозможно, для этого нужен гаечный ключ, но длинным гаечным ключом легче открутить гайку, чем коротким. Колесо - это рычаг, только специальной, круглой формы.

Для современного горного велосипеда со стандартными колесами с шинами диаметром 26 дюймов, и диаметром оси по конусу около 1,5 см, это соотношение равно примерно 43. Когда колесо прокатится 10 метров, в системе «ось-втулка» пробег составит только 23 см. Таким образом, колесо в 26 дюймов, укрепленное на оси диаметром около 1,5 см, устраняет более 97,5% силы трения во втулке. С остальными 2,5% частично помогает справиться смазка. Хотя главное назначение смазки - предотвращать износ ходовой части. У велосипедов с колесами 27 дюймов это соотношение еще больше, и катить их, соответственно, легче.

Но ведь во втулке есть еще и шарики! Благодаря ним мы имеем подшипник качения, который практически «убивает» оставшиеся проценты трения. Насколько эффективны подшипники качения, можно судить по тележкам в супермаркетах. Без подшипников их маленькие колесики упорно не желают катиться.