Rueda
Definición
En su forma primitiva, una rueda es un bloque circular de un material duro y duradero en cuyo centro se ha taladrado un orificio circular a través del cual se coloca un eje sobre el que gira la rueda cuando se aplica un momento por gravedad o par a la rueda sobre su eje, rueda y eje por lo tanto, hacer juntos una de las seis máquinas simples. Cuando se coloca verticalmente debajo de una plataforma o caja de soporte de carga, la rueda que gira sobre el eje horizontal permite transportar cargas pesadas; cuando se coloca horizontalmente, la rueda que gira sobre su eje vertical permite controlar el movimiento giratorio utilizado para dar forma a los materiales (por ejemplo, una rueda de alfarero); cuando se monta en una columna conectada a un timón o un chasis montado en otras ruedas, se puede controlar la dirección de un buque o vehículo (por ejemplo, la rueda de un barco o el volante); cuando está conectado a una manivela,
Etimología
La palabra inglesa wheel viene de la palabra en inglés antiguo hweol, hweogol , de Proto-Germanic * hwehwlan, * hwegwlan , de Proto-indoeuropeo * keklo- , una forma extendida de la raíz * kel- "para girar, moverse" . Cognates dentro del indoeuropeo incluyen hjól islandés "rueda, neumático", griego κύκλος kúklos , y sánscrito chakra , los dos últimos significando "círculo" o "rueda".
Historia
La invención de la rueda cae en el Neolítico tardío, y se puede ver junto con otros avances tecnológicos que dieron lugar a la Edad de Bronce temprana. Esto implica el paso de varios milenios sin ruedas incluso después de la invención de la agricultura y de la cerámica, durante el Neolítico Aceramic.
- 4500-3300 AEC: edad del cobre, invención de la rueda de alfarero; primeras ruedas de madera (discos con un agujero para el eje); primeros vehículos con ruedas, domesticación del caballo
- 3300-2200 a. C.: principios de la Edad del Bronce
- 2200-1550 AEC: Edad de Bronce Medio, invención de la rueda de radios y el carro
La cultura halaf de 6500-5100 a. C. a veces se acredita con la representación más antigua de un vehículo con ruedas, pero esto es dudoso ya que no hay evidencia de que los halafianos usen vehículos con ruedas o incluso ruedas de alfarería.
Precursores de ruedas, conocidos como "tournettes" o "ruedas lentas", eran conocidos en el Medio Oriente por el 5to milenio BCE (uno de los ejemplos más tempranos fue descubierto en Tepe Pardis, Irán, y fechado a 5200-4700 BCE). Estos fueron hechos de piedra o arcilla y asegurados al suelo con una clavija en el centro, pero requirieron un esfuerzo significativo para girar. Las ruedas de alfarero verdaderas (que giran libremente) fueron aparentemente utilizadas en Mesopotamia en 3500 a. EC y posiblemente ya en 4000 a. C., y el ejemplo más antiguo que sobrevivió, que se encontró en Ur (Irak actual) data de aproximadamente 3100 a.
La primera evidencia de vehículos con ruedas aparece en la segunda mitad del 4º milenio AEC, casi simultáneamente en Mesopotamia (civilización sumeria), norte (cultura Maykop) y sur del Cáucaso (cultura Kurgan temprana) y Europa del este (cultura Cucuteni-Trypillian) ), por lo que la pregunta de qué cultura inventó originalmente el vehículo con ruedas todavía no se ha resuelto.
La descripción más antigua y mejor fechada de un vehículo con ruedas (aquí un vagón - cuatro ruedas, dos ejes) está en la olla de Bronocice, una c. 3500 - 3350 BCE olla de barro excavada en un embudo de cultivo de Funnel en el sur de Polonia. En la cercana Olszanica 5000 BC se construyeron 2,2 m de ancho de puerta para la entrada del vagón. Este granero era de 40 m de largo con 3 puertas.
La combinación más antigua de ejes de ruedas segura y fechada, la de Stare Gmajne, cerca de Liubliana en Eslovenia (Rueda de Madera de Marismas de Ljubljana), ahora está fechada dentro de dos desviaciones estándar a 3340-3030 AEC, el eje a 3360-3045 AEC.
Se conocen dos tipos de rueda y eje europeos neolíticos tempranos; un tipo de construcción de vagón de tipo circumalpina (la rueda y el eje giran juntos, como en Ljubljana Marshes Wheel), y el de la cultura Baden en Hungría (el eje no gira). Ambos datan de c. 3200-3000 BCE.
En China, la rueda ciertamente estaba presente con la adopción del carro en c. 1200 a. C., aunque Barbieri-Low argumenta a favor de los primeros vehículos de ruedas chinos, c. 2000 aC
En Gran Bretaña, una gran rueda de madera, que mide aproximadamente 1 m (3,3 pies) de diámetro, fue descubierta en el sitio de Must Farm en East Anglia en 2016. El espécimen, que data de 1.100-800 años BCE, representa el más completo y más temprano de su tipo se encuentra en Gran Bretaña. El cubo de la rueda también está presente. La columna de un caballo que se encuentra cerca sugiere que la rueda pudo haber sido parte de un carro tirado por caballos. La rueda se encontró en un asentamiento construido sobre pilotes sobre un humedal, lo que indica que el asentamiento tenía algún tipo de vínculo con tierra firme.
Aunque el uso de ruedas a gran escala no se produjo en las Américas antes del contacto europeo, se han encontrado numerosos artefactos pequeños con ruedas, identificados como juguetes para niños, en sitios arqueológicos mexicanos, algunos de los cuales datan del año 1500 aC. Se cree que el principal obstáculo para el desarrollo a gran escala de la rueda en las Américas fue la ausencia de animales domésticos domesticados que podrían utilizarse para tirar de los carruajes con ruedas. El pariente más cercano del ganado presente en las Américas en tiempos precolombinos, el Bisonte americano, es difícil de domesticar y nunca fue domesticado por los nativos americanos; varias especies de caballos existieron hasta hace unos 12,000 años, pero finalmente se extinguieron. El único animal grande que fue domesticado en el hemisferio occidental, la llama,
Los nubios de alrededor del 400 aC usaban ruedas para hacer girar la cerámica y como ruedas de agua. Se cree que las norias Nubias pueden haber sido impulsadas por bueyes. También se sabe que los nubios usaban carros tirados por caballos importados de Egipto.
La rueda apenas se usó, con la excepción de Etiopía y Somalia, en el África subsahariana hasta bien entrado el siglo XIX, pero esto cambió con la llegada de los europeos.
Las primeras ruedas eran simples discos de madera con un agujero para el eje. Algunas de las primeras ruedas estaban hechas de trozos horizontales de troncos de árboles. Debido a la estructura desigual de la madera, una rueda hecha de una rodaja horizontal del tronco de un árbol tenderá a ser inferior a una hecha de piezas redondeadas de tablas longitudinales.
La rueda de radios fue inventada más recientemente, y permitió la construcción de vehículos más ligeros y rápidos. En la civilización de Harappan del Valle del Indo y el noroeste de India, ruedas de carrito de juguete hechas de arcilla con líneas que han sido interpretadas como rayos pintados o en relieve, así como un símbolo interpretado como una rueda de rayos en el guión de las focas que datan de la segunda mitad del 3er milenio BCE se han encontrado. Los primeros ejemplos conocidos de ruedas de radios de madera se encuentran en el contexto de la cultura Andronovo, que data de c. 2000 aC Poco después de esto, las culturas de caballos de la región del Cáucaso utilizaron carros de guerra con ruedas de radios tiradas por caballos durante la mayor parte de tres siglos. Se movieron profundamente en la península griega donde se unieron con los pueblos mediterráneos existentes para dar lugar, eventualmente, a la Grecia clásica después de la ruptura del dominio minoico y las consolidaciones lideradas por Esparta preclásico y Atenas. Los carros celtas introdujeron un borde de hierro alrededor de la rueda en el 1er milenio AEC.
La rueda con radios fue utilizada continuamente sin mayores modificaciones hasta la década de 1870, cuando se inventaron las ruedas con radios de alambre y los neumáticos. Los radios de los cables están bajo tensión, no compresión, lo que permite que la rueda sea rígida y liviana. Las primeras ruedas de alambre de radios radiales dieron lugar a ruedas de alambre de radios tangenciales, que fueron ampliamente utilizadas en los automóviles hasta finales del siglo XX. Las llantas de aleación fundida ahora son más comúnmente utilizadas; Las llantas de aleación forjadas se usan cuando el peso es crítico.
La invención de la rueda también ha sido importante para la tecnología en general, aplicaciones importantes que incluyen la rueda de agua, la rueda dentada (véase también el mecanismo antikythera), la rueca y el astrolabio o torquetum. Los descendientes más modernos de la rueda incluyen la hélice, el motor a reacción, el volante (giroscopio) y la turbina.
Ljubljana Marshes Wheel, desde alrededor del año 3150 aC (la rueda de madera más antigua conocida en el mundo).
Rueda sólida del siglo XX hecha de tablas de madera, unida con una llanta de metal
Ruedas de radios en el antiguo carro EtruscanMonteleone, 2º cuarto del siglo VI aC
Rueda de radios con láminas de bronce de Árokalja, de alrededor de 1000 aC
Radialmente - (izquierda) y tangencialmente - (derecha) ruedas con radios de alambre, ambas con neumáticos.
Rueda de aleación fundida en una bicicleta plegable, con un neumático.
Mecánica y función
La baja resistencia al movimiento (en comparación con el arrastre) se explica de la siguiente manera (consulte la fricción):
- la fuerza normal en la interfaz deslizante es la misma.
- la distancia de deslizamiento se reduce para una distancia dada de desplazamiento.
- el coeficiente de fricción en la interfaz es generalmente más bajo.
Los rodamientos se utilizan para ayudar a reducir la fricción en la interfaz. En el caso más simple y antiguo, el rodamiento es simplemente un orificio redondo por el que pasa el eje (un "rodamiento liso").
Ejemplo:
- Si se arrastra un objeto de 100 kg durante 10 m a lo largo de una superficie con el coeficiente de fricción μ = 0.5, la fuerza normal es 981 N y el trabajo realizado (energía requerida) es (trabajo = fuerza x distancia) 981 × 0.5 × 10 = 4905 julios.
- Ahora dale al objeto 4 ruedas. La fuerza normal entre las 4 ruedas y los ejes es la misma (en total) 981 N. Suponga, para madera, μ = 0.25, y digamos que el diámetro de la rueda es de 1000 mm y el diámetro del eje es de 50 mm. Entonces, mientras el objeto aún se mueve 10 m, las superficies deslizantes de fricción solo se deslizan una sobre otra a una distancia de 0.5 m. El trabajo realizado es 981 × 0.25 × 0.5 = 123 julios; el trabajo realizado se ha reducido a 1/40 del de arrastre.
Se pierde energía adicional de la interfaz rueda a carretera. Esto se denomina resistencia a la rodadura, que es predominantemente una pérdida de deformación. Esta energía también se reduce mediante el uso de una rueda (en comparación con el arrastre) porque la fuerza neta en el punto de contacto entre la carretera y la rueda es casi perpendicular al suelo y, por lo tanto, genera un trabajo neto casi nulo. Esto depende de la naturaleza del terreno, del material de la rueda, su inflación en el caso de un neumático, el par neto ejercido por el eventual motor y muchos otros factores.
Una rueda también puede ofrecer ventajas al atravesar superficies irregulares si el radio de la rueda es suficientemente grande en comparación con las irregularidades.
La rueda sola no es una máquina, pero cuando se une a un eje junto con el rodamiento, forma la rueda y el eje, una de las máquinas simples. Una rueda conducida es un ejemplo de rueda y eje. Las ruedas son anteriores a las ruedas motrices en unos 6000 años, una evolución de usar troncos redondos como rodillos para mover una carga pesada, una práctica que se remonta a la prehistoria hasta el momento y que no se ha fechado.
Construcción
Borde
El borde es el "borde exterior de una rueda, sosteniendo el neumático". Constituye el diseño circular exterior de la rueda en la que se monta el borde interior del neumático en vehículos como automóviles. Por ejemplo, en una rueda de bicicleta, la llanta es un aro grande unido a los extremos exteriores de los radios de la rueda que sostiene el neumático y el tubo.
En el 1er milenio aC se introdujo un borde de hierro alrededor de las ruedas de madera de los carros.
Cubo
El centro es el centro de la rueda, y generalmente alberga un rodamiento, y es donde se encuentran los radios.
Una rueda sin cubo (también conocida como rim-rider o rueda sin centro) es un tipo de rueda sin cubo central. Más específicamente, el centro es casi tan grande como la rueda misma. El eje es hueco, siguiendo la rueda con tolerancias muy cercanas.
Rayos
Un radio es una de las barras que irradian desde el centro de una rueda (el centro donde se conecta el eje), conectando el centro con la superficie de tracción redonda. El término originalmente se refería a porciones de un tronco que se había dividido longitudinalmente en cuatro o seis secciones. Los miembros radiales de una rueda de carro se hicieron tallando un radio (de un tronco) en su forma acabada. Un spokeshave es una herramienta desarrollada originalmente para este propósito. Eventualmente, el término "spoke" se aplicaba más comúnmente al producto final del trabajo del wheelwright, que a los materiales utilizados.
Cable
Los bordes de las ruedas de alambre (o "ruedas con radios de alambre") están conectados a sus cubos por radios de alambre. Aunque estos cables son generalmente más rígidos que un cable típico, funcionan mecánicamente de la misma manera que los cables flexibles tensionados, manteniendo la llanta verdadera mientras soportan las cargas aplicadas.
Las ruedas de alambre se usan en la mayoría de las bicicletas y todavía se usan en muchas motocicletas. Fueron inventados por el ingeniero aeronáutico George Cayley y utilizados por primera vez en bicicletas por James Starley. Un proceso de ensamblaje de ruedas de alambre se describe como construcción de ruedas.
Neumático / neumático
Una llanta (en inglés americano y canadiense inglés) o llanta (en algunas naciones de la Commonwealth como Reino Unido, India, Sudáfrica y Australia) es una cubierta anular que se ajusta alrededor de una llanta para protegerla y permite un mejor rendimiento del vehículo al proporcionar un cojín flexible que absorbe los golpes y mantiene la rueda en contacto estrecho con el suelo. La palabra en sí misma puede derivarse de la palabra "empate", que se refiere a la parte exterior del anillo de acero de una rueda de carrito de madera que une los segmentos de madera (ver Etimología a continuación).
Los materiales fundamentales de los neumáticos modernos son caucho sintético, caucho natural, tela y alambre, junto con otros compuestos químicos. Consisten en una banda de rodadura y un cuerpo. La banda de rodadura proporciona tracción mientras el cuerpo asegura soporte. Antes de que se inventara el caucho, las primeras versiones de neumáticos eran simplemente bandas de metal que se ajustaban alrededor de ruedas de madera para evitar el desgaste. Hoy en día, la gran mayoría de los neumáticos son estructuras hinchables neumáticas, que comprenden un cuerpo de cuerdas y cables en forma de rosca envueltos en caucho y generalmente llenos de aire comprimido para formar un cojín inflable. Los neumáticos se utilizan en muchos tipos de vehículos, como automóviles, bicicletas, motocicletas, camiones, excavadoras y aviones.
Trywheel
Una rueda de tres ruedas es una disposición de tres ruedas montadas en un bastidor en forma de Y con el propósito de pasar por encima de escaleras o terrenos irregulares. Estos pueden ser impulsados por fuerza externa o motores integrales.
Alternativas
Si bien las ruedas son muy utilizadas para el transporte terrestre, existen alternativas, algunas de las cuales son adecuadas para el terreno donde las ruedas son ineficaces. Los métodos alternativos para el transporte terrestre sin ruedas incluyen:
- Trenes magnéticos electromagnéticos
- Trineo o travois
- Aerodeslizador
- Una máquina para caminar
- Huellas de Caterpillar (aunque todavía funcionan con ruedas)
- Ruedas de Pedrail, que utilizan aspectos de la rueda y la oruga
- Esferas, como las utilizadas por las aspiradoras Dyson y las pelotas de hámster
- Vehículo propulsado por tornillos
Una invención reciente es la llamada Liddiard Wheel, que pretende ser una rueda omnidireccional superior.
Simbolismo
La rueda también se ha convertido en una fuerte metáfora cultural y espiritual para un ciclo o repetición regular (ver chakra, reencarnación, Yin y Yang, entre otros). Como tal y debido a la dificultad del terreno, los vehículos con ruedas fueron prohibidos en el antiguo Tíbet. La rueda en la antigua China es vista como un símbolo de salud y fortaleza y utilizada por algunos pueblos como una herramienta para predecir la salud y el éxito futuros. El diámetro de la rueda es indicador de la salud futura de uno.
La rueda alada es un símbolo de progreso, visto en muchos contextos, incluido el escudo de armas de Panamá, el logotipo de la Patrulla de Caminos del Estado de Ohio y el Ferrocarril del Estado de Tailandia. La rueda también es la figura prominente en la bandera de India. La rueda en este caso representa la ley (dharma). También aparece en la bandera de los romaníes, haciendo alusión a su historia nómada y sus orígenes indios.