Этот предмет, прост и понятен, но заслуживает отдельного рассмотрения.
С точки зрения механики, мы с помощью колеса, принцип скольжения переводим в качение. Если вспомнить, что такое скольжение - это процесс перемещения одного тела на другом, при непосредственном соприкосновении, при этом возникает сила трения скольжения.
Когда вы катаетесь по льду, или на санках, Вы также используете принцип скольжения. Если вспомнить курс физики из школы или посмотреть на картинку, то видим, что сила трения зависит напрямую от массы тела. Для снижения силы трения используют смазку или гладкую поверхность. При этом нужно помнить, что передвигая тело по поверхности скольжением, Вы совершаете работу. Если тело не меняет свою высоту относительно поверхности земли, то вся Ваша работа уходит в шум, нагрев, износ поверхности, электростатическое напряжение. Если вы увеличиваете высоту тела относительно земли, то часть энергии переводите в потенциальную энергию.
Но сейчас речь у другом принципе движения - о качении. Когда и кем было изобретено колесо, история покрытая мраком, но мы его повседневно и регулярно используем. Здесь есть интересные моменты.
1. Сила трения в точке соприкосновения радиуса колеса и поверхности минимальна и сила трения, практически не влияет на процесс сопротивления а даже наоборот, в некоторых случаях помогает катиться колесу. Обратите внимания, что на гладкой поверхности , некоторые игрушки будут скользить, а не катиться.
Так если взять автомобиль и тронуться на асфальте, задача не сложная, а вот на льду, очень даже не простая. Тут очень много нюансов, но это можно обсудить отдельно.
2. Сила трения в оси колеса. Здесь у нас неподвижна ось и об неё трётся внутренний радиус колеса. Также возникает сила трения, но она препятствует вращению колеса. Как правило её снижают за счет гладких и смазанных втулок или просто опять переводят в трение качения за счет подшипников.
3 Момент инерции. Эта величина присуще вращательному движению и так же напрямую зависит уже от конструкции колеса и распределения в нем общей массы колеса. Обратите внимание на фигуристов, когда они в момент вращения сжимаются, скорость вращения увеличивается, они меняют момент инерции в меньшую сторону, а энергия прежняя, происходит ускорение. Также на карусели,если сделать усилие и прижаться к центру, то пойдет ускорение вращения. Момент инерции важен в динамике и проявляется в момент когда надо ускорится или остановиться, он очень важен в различных токарных, фрезерных станках, Именно компенсация этой нагрузки ложиться на двигатель в момент старта или пуска. Одно дело когда вы собираете конструктор из пластиковых деталей и моторчика, хватает, чтобы легко провернуть все шестерни и запустить механизм в работу, другое дело, когда вы начинаете использовать металлические шестерни и меняется у всех деталей момент инерции, тогда моторчику необходимо больше мощности в момент пуска.
4. Сила Кориолиса. Эта величина, вообще малознакома и непонятна большинству людей, хотя её как особенность колеса очень часто и используют. Именно под действием силы Кориолиса велосипед на средней скорости удерживает своё равновесие. Или банальный детский пример - это волчок, который устойчив при вращении. Именно по этой причине, на больших скоростях очень сложно повернуть руль мотоцикла и поворот на небольшой градус осуществляется перемещением массы.
По этому принципу работает гироскоп. И еще много процессов связанных с этим. Хотите убить жесткий диск, просто работающий ЖД резко поверните из горизонтального положения - в вертикальное (пробовать не стоит однозначно). Проверить можно на велосипедном колесе. Просто раскрутите его в вертикальном положении и попробуйте перевести в горизонтальное.
Стоит отметить, что в момент вращения колеса, мы больше вкладываем энергии в момент инерции и кинетическую энергию, чем тратим на силу трения, и важно помнить, что в момент остановки эта энергия будет нам возвращаться и будет требовать компенсации или просто повредит нашу установку.
Благодаря всем перечисленным факторам (и не только) столько разных конструкций и решений колёс мы имеем.
Просто о механике.
Свои комментарии можете предлагать в группе вконтакте,
Если есть вопросы или по желания, то пишите, через Обратную связь.
Канал телеграм.
Группа Одноклассники.