Мы остановились на том, что колесо изобрели около 5500 лет назад (и скорее всего в Европе). Теперь предлагаю поговорить о том, какие этапы развития оно прошло с древнейших времён до наших дней.
От брёвен к сборным колёсам
Никто достоверно не знает, каким было первое колесо, но наиболее убедительной мне кажется версия, согласно которой всё начиналось с колёсных пар, изготовленных из цельных брёвен.
Впоследствии колёса стали делать отдельно и жёстко насаживать их на ось. Вероятнее всего, это связано, во-первых, с тем, что делать из толстого ствола тонкую ось было просто нерационально, а во-вторых, с тем, что колёса время от времени ломались, и их нужно было менять.
Следующим этапом, вероятно, стала замена колёс из цельного бревна на сборные из отдельных досок. Например, такие, как на известном штандарте войны и мира из шумерского города Ура.
Предполагается, что эти колёса изготавливались из трёх частей, связанных между собой верёвками, кожаными ремнями или ивовыми прутьями.
Зачем это было сделано? Полагаю, что причин было несколько.
- Во-первых, брёвна склонны к растрескиванию из-за того, что внешняя часть сохнет быстрее внутренней. Как следствие, страдает и круглость, и прочность колёс.
- Во-вторых, волокна в бревне ориентированы так, что изготовленное из него колесо очень плохо держит боковую нагрузку, вследствие чего оно обязательно должно быть толстым и тяжёлым.
- В-третьих, чтобы колесо хорошо катилось, одно должно быть большим, а найти и обработать достаточно толстое бревно не так-то просто.
- В-четвёртых, если цельное колесо ломалось, то и менять его нужно было целиком, то есть опять делать большое колесо "с нуля" примитивными инструментами
Составные же колёса позволяли не только уйти из этих недостатков, но и дополнительно увеличить прочность колеса за счёт того, что оно собиралось из досок с различным направлением волокон.
Судя по всему, люди поняли это достаточно быстро: самое древнее из найденных археологами колёс сделано из двух досок, укреплённых в поперечном направлении деревянными шпонками.
От колёсных пар к ступицам
Поскольку первые колёса жёстко фиксировались на оси, ранние повозки хорошо ездили только по прямой, а при повороте возникали проблема: левое и правое колёса проходили разный путь, но вращались с одинаковой скоростью, поэтому внутренне колесо буксовало, а внешнее – скользило. Как следствие, такие повозки плохо поворачивали и были склонны к опрокидыванию.
Решением этой проблемы стало изобретение колеса со ступицей, которое могло вращаться на неподвижной оси. Как следствие, повозки стали намного манёвреннее. С другой стороны, изготовления таких колёс было заметно сложнее. В частности ступицу нужно было делать достаточно широкой, чтобы колесо не шаталось, и фиксировать её в осевом направлении чекой.
Однако колёса на неподвижной оси далеко не сразу вытеснили колёсные пары с вращающимися осями. Эти два варианта конкурировали между собой тысячелетиями. Вращающаяся ось с жёстко закреплёнными колесами получила широкое распространение в Альпийском регионе, а неподвижная ось с вращающимися колёсами – в Восточной Европе, Средиземноморье и на Ближнем Востоке.
Но как ни крути, конструкция с неподвижной осью была прогрессивнее, поэтому со временем именно она стала золотым стандартом для повозок и до сих пор применяется на автомобилях. Но и колёсные пары не исчезли, просто их сферой применения стал железнодорожный транспорт.
От сплошных колёс к спицам
Другой важной вехой эволюции колеса стало появление спиц. Чтобы понять, почему это важно, давайте обсудим недостатки сплошных колёс.
Начнём с очевидного: сплошные колёса тяжёлые. Мало того, что это напрямую увеличивает вес повозки. Массивные колёса имеют большой момент инерции, поэтому для их разгона требуется прикладывать большие усилия. Впрочем, эта проблема была не так уж существенна для эпохи, когда единственной тяговой силой были могучие, но неторопливые волы.
Более серьёзным недостатком были проблемы с прочностью. На первый взгляд может показаться странным, что тяжёлые сплошные колёса уступают в прочности ажурным спицевым. Но всё встаёт на свои места, если вспомнить, что дерево хорошо держит нагрузку, направленную вдоль волокон, и легко разрушается под действием поперечной силы. Следовательно, чтобы колесо имело максимальную прочность, волокна на поверхности качения должны быть ориентированы в окружном направлении, а внутри колеса – вдоль радиусов, то есть именно так, как в классическом деревянном колесе со спицами.
Таким образом, с появлением спиц колёса стали легче и прочнее, а это позволило применять их не только в медлительных грузовых телегах на воловьей тяге, но и в стремительных колесницах, запряжённых лошадьми.
Кстати, согласно одной из актуальных версий, первые колесницы появились примерно в 2000 году до нашей эры на территории современной Челябинской области – в Аркаиме [3].
Появление шины
Какую бы ориентацию не имели волокна в колесе, при непосредственном контакте с грунтом они неизбежно будут изнашиваться, особенно если приходится ездить по острым камням. Как следствие, колеса достаточно быстро будут изнашиваться, а это очень обидно, учитывая, что новые придётся изготавливать примитивным ручным инструментом.
Люди довольно рано стали задумываться о том, чтобы как-то защитить драгоценные колёса от износа, и пришли к идее шины – обода, который принимал бы на себя удары со стороны земли. Идея лежала на поверхности, ведь человечество уже имело опыт решения аналогичной проблемы с собственными ногами и изобрело обувь. Так что, подобно стопам, колёса стали оборачивать кожей.
Одно из таких колёс было найдено в 1990 году в Днепре на территории Запорожской области [4]. В 3,5 см от края колеса было обнаружено отверстие диаметром 1,5 см, к которому, предположительно, крепилась полоса сырой кожи. При высыхании кожа затвердевала и предохраняла обод от быстрого разрушения. Аналогичный способ крепления кожаных шин приводится на реконструкции колеса из болота Раппендем с острова Зеландия в Дании.
Рискну предположить, что кожаные шины хоть и защищали колёса от износа, но и сами служили не очень долго. Альтернатива им появилась только в 1-м тысячелетии до нашей эры с распространением доступности железа. Считается, что обивать колёса железными шинами стали кельты [5].
Не знаю, какая технология была у них, но классической считается следующая: из железа ковали обруч, который разогревали докрасна и натягивали на колесо, а когда он остывал и плотно охватывал обод, его для надёжности приколачивали гвоздями через заранее пробитые отверстия. Железные шины радикально повысили прочность колёс, поэтому теперь они не боялись ни быстрой езды, ни камней. Конечно, выросла и цена таких колёс, поэтому позволить их себе могли разве что знатные воины, а телеги простого люда обходились обычными деревянными колёсами с кожаной ошиновкой в лучшем случае.
Экспансия металлов
Конечно, было очень заманчиво применять металлы не только для ошиновки, но высокая стоимость железа и бронзы не позволяли делать из них колёса целиком. Да и зачем, если деревянное колесо в целом получается легче и вполне справляется с нагрузками. Даже на самых изысканных парадных колесницах колёса оставались деревянными и лишь снаружи покрывались бронзой (шины при этом оставались железными).
При этом, конечно, прежде всего металлы применяли там, где надо. После обода самой нагруженной частью колеса была ступица, поэтому на дорогих колесницах их стали укреплять железными или бронзовыми втулками изнутри и кольцами снаружи.
Однако настоящий триумф металлических колёс пришёлся на гораздо более поздний период – эпоху железных дорог. Я не нашёл сведений о том, какие колёса использовались на ранних вагонетках с конной тягой, но первые паровозы были уже с металлическими колёсами.
Объясняется это просто: котёл и паровая машина были уже слишком тяжёлыми для деревянных колёс. С той поры и до наших дней стальные колёса повсеместно используются на железнодорожном транспорте.
На безрельсовых машинах распространение металлических колёс было связано с развитием велосипеда. В 1868 английский инженер Эдуард Алфред Каупер изобрёл колёсо со ступицей, висящей на проволочных спицах. Подобные колёса использовались и на ранних автомобилях. Впрочем о дальнейшем развитии автомобильных колёс мы поговорим позже. А пока отмечу, что несмотря на это вплоть до середины XX века на гужевом транспорте продолжали применяться деревянные колёса с минимальным количеством стальных деталей, то есть по сути такие же, как на античных повозках.
От втулок к подшипникам
Долгое время ступица колёса устанавливалась непосредственно на ось. При вращении колеса в этом соединении возникало трение, которое приводило к двум неприятным последствиям: повышенному износу и большому сопротивлению качению. Основным решением этих проблем испокон веков была смазка: сначала использовали животные жиры, затем – дёготь. За неимением альтернатив такое положение дел сохранялось тысячелетиями.
При этом люди давно знали, что от трения можно избавиться и по-другому: нужно всего лишь заменить скольжение качением (например, подложить под тяжёлый груз брёвна-катки). Однако применить этот же принцип к движению по окружности догадались гораздо позже. Считается, что первые подшипники появились в начале нашей эры. Самые древние образцы были найдены в "плавучем дворце" Калигулы, где они поддерживали вращающийся стол.
Однако эти подшипники были достаточно примитивными, и скорее напоминали шарообразные колёсики. К тому же, они были упорными, в то время как для колёс требуются радиальные подшипники. Не годились для колёс и различные подшипники, придуманные Леонардо да Винчи.
Первые подходящие подшипники изобрёл и запатентовал валлийский промышленник Филип Воган в 1794 году. Примечательно, что предназначен он был как раз для установки колёс транспортных средств. Вот только технологии того времени не обеспечивали ни прочности, ни точности шариков, так что изобретение Вогана на практике ничего не изменило.
Реальное же распространение подшипников в колёсном транспорте было связано с очередным усовершенствованием велосипеда. В 1869 году парижский веломеханик Жюль-Пьер Сюрире запатентовал подшипники для велосипеда. В том же году велосипед с его подшипниками выиграл гонку Париж-Руан.
Таким образом, подшипники качения наглядно показали свои преимущества перед подшипниками скольжения. Однако шарики для подшипников Сюрире всё равно приходилось шлифовать вручную, поэтому стоили они дорого, а изнашивались быстро. Однако по крайней мере они действительно стали применяться в колёсах. Массовое же внедрение шарикоподшипников началось только в самом конце XIX века после того как Фридрих Фишер – владелец небольшой подшипниковой мастерской в Баварии – изобрёл специальный станок для шлифовки шариков.
Пневматические шины
Самой же заметной вехой в истории колеса, пожалуй, стало появление пневматической шины. Её первым изобретателем можно считать шотландца Роберта Уильяма Томсона. В 1846 году он запатентовал шину с пневматической камерой из нескольких слоёв парусины, пропитанных и покрытой с обеих сторон натуральным каучуком или гуттаперчей, и кожаной покрышкой.
Томпсон не только придумал пневматическую шину, но и сделал опытный образец. Испытания показали, что такие шины улучшают плавность хода, меньше шумят и дают меньшее сопротивление качению. Однако технологии того времени не позволили организовать массовое производство с приемлемой стоимостью, поэтому идея Томсона не получила развития, и о ней забыли.
Впрочем, спустя некоторое время определённую популярность получили цельнолитые резиновые шины и эластичные шины с пустотами, которые, кстати изобрёл всё тот же Роберт Уильям Томсон.
Широкое же внедрение пневматических шин началось только после того, как в 1887 году другой шотландец – ветеринар Джон Данлоп – фактически заново их изобрёл. Он придумал сделать шины для велосипеда своего сына из садового шланга и накачать их воздухом, для чего заодно изобрёл ещё и клапан, пропускающий воздух только в одну сторону. Получившаяся камера приматывалась к ободу прорезиненной парусиной, которая выполняла роль покрышки и защищала шланг от износа.
В 1888 года Данлоп получил патент на своё изобретение, правда его вскоре аннулировали, признав приоритет в изобретении шины за Томсоном. Впрочем, это не помешало Данлопу коммерциализировать своё изобретение. В 1889 году он организовал собственную компанию по производству шин, впоследствии известную как Dunlop Tires.
На этот раз мир в полной мере оценил преимущества пневматических шин:
- В том же 1889 году на велогонках в Белфасте велосипед с шинами Данлопа выиграл все три заезда, в которых участвовал.
- В 1890 году Чарльз Кингстон Уэлтч предложил изготавливать камеру отдельно от покрышки, которую он снабдил бортовыми кольцами. Впоследствии он также запатентовал аппарат для изготовления шин, а также ещё несколько усовершенствований шины для фирмы Dunlop.
- В 1891 году к производству шин подключилась компания Michelin, выпустившая на рынок первые съёмные шины.
- В 1895 году всё та же Michelin изготовила первые автомобильные шины для Peugeot L'Eclair
Прогресс новейшего времени
Таким образом, к началу XX века колесо уже обрело привычный для нас вид: ступица на подшипниках, металлический диск и пневматическая шина.
Однако с той поры каждый из этих элементов получил развитие, достойное отдельного рассказа: сменилось три поколения ступичных подшипников, появились легкосплавные и композитные диски, а уж о прогрессе шин можно написать не одну статью. Изменение химического состава резины, появление рисунков протектора, изменение материала и конструкции каракаса, отказ от камеры, изобретение шипов, развитие технологии производства – вот лишь основные вехи на пути совершенствования шин в XX-XXI веках. Но для того, чтобы поговорить о них основательно, нам потребуется сперва познакомиться с общим устройством пневматических шин. И об этом я планирую рассказать уже в следующей статье.
Спасибо за внимание!
Ссылки:
- Cesare Rossi, Flavio Russo, Ancient engineers' inventions : precursors of the present