En su forma primitiva, una rueda es un bloque circular de un material duro y duradero en cuyo centro se ha perforado un orificio a través del cual se coloca un cojinete del eje sobre el cual gira la rueda cuando se aplica torque a la rueda alrededor de su eje. El conjunto de rueda y eje puede considerarse una de las seis máquinas simples . Cuando se coloca verticalmente debajo de una plataforma o caja de carga, la rueda que gira sobre el eje horizontal permite transportarcargas pesadas. Esta disposición es el tema principal de este artículo, pero hay muchas otras aplicaciones de una rueda que se tratan en los artículos correspondientes: cuando se coloca horizontalmente, la rueda que gira sobre su eje vertical proporciona el movimiento giratorio que se utiliza para dar forma a los materiales (por ejemplo, una rueda de alfarero ). ; cuando está montado en una columna conectada a un timón o al mecanismo de dirección de un vehículo con ruedas, puede usarse para controlar la dirección de un barco o vehículo (por ejemplo , el volante de un barco o el volante ); cuando se conecta a una manivela o motor , una rueda puede almacenar, liberar o transmitir energía (por ejemplo, el volante ). Una rueda y un eje con fuerza aplicada para crear torque en un radio pueden traducir esto en una fuerza diferente en un radio diferente, también con una velocidad lineal diferente.
Etimología
La palabra inglesa rueda proviene de la palabra inglesa antigua hweol, hweogol , del proto-germánico * hwehwlan, * hwegwlan , del protoindoeuropeo * k w ek w lo- , [1] una forma extendida de la raíz * k w el- "para girar, moverse". Los cognados dentro del indoeuropeo incluyen el islandés hjól "rueda, neumático", el griego κύκλος kúklos y el chakra sánscrito , los dos últimos significan "círculo" o "rueda". [2]
Historia
El lugar y el momento de una "invención" de la rueda no está claro, porque los indicios más antiguos no garantizan la existencia de un transporte con ruedas real, o están fechados con demasiada dispersión. [3] A la civilización mesopotámica se le atribuye la invención de la rueda. [4] [5] [6] La invención de la rueda de disco de madera maciza se remonta al Neolítico tardío y puede verse junto con otros avances tecnológicos que dieron lugar a la Edad del Bronce temprana . Esto implica el paso de varios milenios sin rueda incluso después de la invención de la agricultura y de la alfarería , durante el Neolítico Aceramico .
- 4500-3300 aC ( Edad del Cobre ): invención del torno de alfarero ; ruedas de madera maciza más antiguas (discos con un orificio para el eje); primeros vehículos con ruedas; domesticación del caballo
- 3300-2200 aC ( Edad del Bronce Antiguo )
- 2200-1550 a. C. ( Edad del Bronce Medio ): invención de la rueda de radios y el carro
A la cultura Halaf de 6500-5100 aC a veces se le atribuye la descripción 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. [7] Los precursores de las ruedas, conocidos como "tournettes" o "ruedas lentas", fueron conocidos en el Medio Oriente en el quinto milenio antes de Cristo. Uno de los primeros ejemplos se descubrió en Tepe Pardis, Irán , y data de 5200-4700 a. C. Estos estaban hechos de piedra o arcilla y asegurados al suelo con una clavija en el centro, pero requirieron un gran esfuerzo para girar. Las verdaderas ruedas de alfarero, que giran libremente y tienen un mecanismo de rueda y eje , se desarrollaron en Mesopotamia ( Irak ) entre el 4200 y el 4000 a. C. [8] El ejemplo más antiguo que se ha encontrado, que se encontró en Ur (actual Irak ), data aproximadamente del 3100 a. C. [9] La rueda también se ha encontrado en la civilización del valle del Indo , una civilización del cuarto milenio a. C. que cubre áreas de la actual India y Pakistán. [10]
La evidencia indirecta más antigua de movimiento de ruedas se encontró en forma de ruedas de arcilla en miniatura al norte del Mar Negro antes del 4000 aC Desde mediados del IV milenio aC en adelante, la evidencia se condensa en toda Europa en forma de carros de juguete, representaciones o surcos. [11] En Mesopotamia, las representaciones de carros con ruedas encontradas en pictografías de tablillas de arcilla en el distrito de Eanna de Uruk , en la civilización sumeria , datan de c. 3500-3350 a. C. [12] En la segunda mitad del cuarto milenio antes de Cristo, la evidencia de vehículos con ruedas apareció casi simultáneamente en el norte ( cultura Maykop ) y el sur del Cáucaso y Europa del este ( cultura Cucuteni-Trypillian ). Las representaciones de un vehículo con ruedas aparecieron entre 3631 y 3380 a. C. en la vasija de barro Bronocice excavada en un asentamiento de la cultura Funnelbeaker en el sur de Polonia . [13] En la cercana Olszanica , se construyó una puerta de 2,2 m de ancho para la entrada de los carros; este granero tenía 40 m de largo con 3 puertas, databa de 5000 aC - 7000 años, y pertenecía a la cultura neolítica de alfarería lineal . [14] La evidencia sobreviviente de una combinación de rueda-eje, de Stare Gmajne cerca de Ljubljana en Eslovenia ( Ljubljana Marshes Wooden Wheel ), está fechada dentro de dos desviaciones estándar a 3340-3030 aC, el eje a 3360-3045 aC. [15] Se conocen dos tipos de ruedas y ejes europeos del Neolítico temprano; un tipo de construcción de vagón circumalpino (la rueda y el eje giran juntos, como en Ljubljana Marshes Wheel), y el de la cultura de Baden en Hungría (el eje no gira). Ambos están fechados en c. 3200-3000 a. C. [16] Algunos historiadores creen que hubo una difusión del vehículo con ruedas desde el Cercano Oriente a Europa alrededor del cuarto milenio antes de Cristo. [17]
Las primeras ruedas eran simples discos de madera con un orificio para el eje. Algunas de las primeras ruedas se hicieron a partir de rodajas horizontales de troncos de árboles. Debido a la estructura desigual de la madera , una rueda hecha con una rodaja horizontal de un tronco de árbol tenderá a ser inferior a una hecha con piezas redondeadas de tablas longitudinales.
La rueda de radios se inventó más recientemente y permitió la construcción de vehículos más ligeros y rápidos. Los primeros ejemplos conocidos de ruedas de radios de madera se encuentran en el contexto de la cultura Sintashta , que data de c. 2000 aC ( lago Krivoye ). Poco después de esto, las culturas ecuestres de la región del Cáucaso utilizaron carros de guerra tirados por caballos con ruedas de radios durante la mayor parte de tres siglos. Se adentraron profundamente en la península griega, donde se unieron a los pueblos mediterráneos existentes para dar lugar, finalmente, a la Grecia clásica después de la ruptura del dominio minoico y las consolidaciones lideradas por Esparta y Atenas preclásicas . Los carros celtas introdujeron un borde de hierro alrededor de la rueda en el primer milenio antes de Cristo.
En China, se han encontrado huellas de ruedas que datan de alrededor del 2200 a. C. en Pingliangtai, un sitio de la cultura Longshan . [18] También se encontraron huellas similares en Yanshi , una ciudad de la cultura Erlitou , que data de alrededor del 1700 a. C. La evidencia más temprana de ruedas de radios en China proviene de Qinghai , en forma de dos cubos de rueda de un sitio fechado entre 2000 y 1500 a. C. [19]
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 a 800 a. C., representa el más completo y antiguo de sus tipo encontrado en Gran Bretaña. El cubo de la rueda también está presente. La columna vertebral 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. [20]
Aunque el uso a gran escala de ruedas no ocurrió 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 de aproximadamente 1500 AC. [21] Se cree que el principal obstáculo para el desarrollo a gran escala de la rueda en las Américas fue la ausencia de animales grandes domesticados que pudieran usarse para tirar de carruajes con ruedas. [22] El pariente más cercano del ganado presente en América en la época precolombina, 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. [23] El único animal grande que fue domesticado en el hemisferio occidental, la llama , un animal de carga, pero no apto físicamente para usarlo como animal de tiro para tirar de vehículos con ruedas, [24] y el uso de la llama no se extendió mucho más allá. los Andes en el momento de la llegada de los europeos.
Los nubios de alrededor del 400 a. C. usaban ruedas para hilar cerámica y como ruedas hidráulicas . [25] Se cree que las ruedas hidráulicas nubias pudieron haber sido impulsadas por bueyes. [26] También se sabe que los nubios usaban carros tirados por caballos importados de Egipto . [27]
La rueda apenas se utilizó, con la excepción de Etiopía , en el África subsahariana hasta bien entrado el siglo XIX, pero esto cambió con la llegada de los europeos. [28] [29]
La rueda de radios se siguió utilizando sin modificaciones importantes hasta la década de 1870, cuando se inventaron las ruedas de radios de alambre y los neumáticos . [30] Los neumáticos pueden reducir en gran medida la resistencia a la rodadura y mejorar la comodidad. Los radios de alambre están bajo tensión, no compresión, lo que hace posible que la rueda sea rígida y liviana. Las primeras ruedas de alambre de radios radiales dieron lugar a las ruedas de alambre de radios tangenciales, que se utilizaron ampliamente en los automóviles hasta finales del siglo XX. Las llantas de aleación fundida se utilizan ahora con mayor frecuencia; Las llantas de aleación forjadas se utilizan 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 hidráulica , la rueda dentada (ver también mecanismo antikythera ), la rueda giratoria 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 .
Rueda de las marismas de Liubliana , de alrededor del 3150 a. C. (modelo restaurado de la pieza de rueda de madera fechada exactamente por radiocarbono más antigua del mundo).
Rueda maciza del siglo XX hecha de tablas de madera, unida con una llanta de metal.
Ruedas de radios en el antiguo carro etrusco de Monteleone , segundo cuarto del siglo VI a. C. [ contradictorio ]
Rueda de radios con chapa de bronce de Árokalja , de alrededor del 1000 a.C.
Radial - (izquierda) y tangencial - (derecha) ruedas de radios de alambre, ambas con neumáticos .
Llanta de aleación fundida en bicicleta plegable , con neumático .
Mecánica y función
Un vehículo con ruedas requiere mucho menos trabajo para moverse que simplemente arrastrar el mismo peso. La baja resistencia al movimiento se explica por el hecho de que el trabajo de fricción realizado ya no está en la superficie que atraviesa el vehículo, sino en los cojinetes . En el caso más simple y antiguo, el cojinete es simplemente un orificio redondo a través del cual pasa el eje (un " cojinete liso "). Incluso con un cojinete liso, el trabajo de fricción se reduce considerablemente porque:
- La fuerza normal en la interfaz deslizante es la misma que con un simple arrastre.
- La distancia de deslizamiento se reduce para una determinada distancia de viaje.
- El coeficiente de fricción en la interfaz suele ser menor.
Ejemplo:
- Si un objeto de 100 kg se arrastra 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 1000 mm y el diámetro del eje es 50 mm. Entonces, mientras el objeto todavía se mueve 10 m, las superficies de fricción deslizantes solo se deslizan una sobre la otra 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-carretera. Esto se denomina resistencia a la rodadura, que es predominantemente una pérdida por deformación. Depende de la naturaleza del suelo, del material de la rueda, de su inflado en el caso de un neumático, del par neto ejercido por el eventual motor y de muchos otros factores.
Una rueda también puede ofrecer ventajas al atravesar superficies irregulares si el radio de la rueda es lo suficientemente grande en comparación con las irregularidades.
La rueda por sí sola no es una máquina, pero cuando se une a un eje junto con un cojinete, forma la rueda y el eje , una de las máquinas simples . Una rueda motriz es un ejemplo de rueda y eje. Las ruedas son anteriores a las ruedas motrices en unos 6000 años, y ellas mismas son una evolución del uso de troncos redondos como rodillos para mover una carga pesada, una práctica que se remonta a la prehistoria hasta ahora que no ha sido fechada.
Construcción
Borde
La llanta es el "borde exterior de una rueda que sostiene el neumático". [31] 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 sujeta el neumático y la cámara.
En el primer milenio antes de Cristo se introdujo un borde de hierro alrededor de las ruedas de madera de los carros .
Centro
El cubo es el centro de la rueda y normalmente alberga un cojinete y es donde se unen 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 cubo es casi tan grande como la propia rueda. El eje es hueco, siguiendo la rueda con tolerancias muy estrechas .
Radios
Un radio es una de varias varillas que irradian desde el centro de una rueda (el cubo donde se conecta el eje ), conectando el cubo 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 final. Un rayo es una herramienta desarrollada originalmente para este propósito. Finalmente, el término radio se aplicó más comúnmente al producto terminado del trabajo del carretero que a los materiales utilizados.
Cable
Las llantas de las ruedas de alambre (o "ruedas de radios de alambre") están conectadas a sus bujes mediante radios de alambre . Aunque estos alambres son generalmente más rígidos que un cable de alambre típico , funcionan mecánicamente de la misma manera que los alambres flexibles tensados , manteniendo la llanta firme mientras soportan las cargas aplicadas.
Las ruedas de alambre se utilizan en la mayoría de las bicicletas y todavía se utilizan en muchas motocicletas . Fueron inventados por el ingeniero aeronáutico George Cayley y James Starley los utilizó por primera vez en bicicletas . Un proceso de ensamblaje de ruedas de alambre se describe como construcción de ruedas .
Neumático / Neumático
Una llanta (en inglés americano e inglés canadiense ) o llanta (en algunas naciones de la Commonwealth como el Reino Unido, India, Sudáfrica, Australia y Nueva Zelanda) es una cubierta en forma de anillo que se ajusta alrededor de la llanta de una rueda para protegerla y permitir un mejor vehículo. rendimiento proporcionando un cojín flexible que absorbe los golpes mientras mantiene la rueda en estrecho contacto con el suelo. La palabra en sí puede derivarse de la palabra "amarre", que se refiere a la parte exterior del anillo de acero de una rueda de carro de madera que une los segmentos de madera (ver Etimología a continuación).
Los materiales fundamentales de los neumáticos modernos son el caucho sintético , el caucho natural , la tela y el alambre, junto con otros compuestos químicos. Constan de una pisada y un cuerpo. La banda de rodadura proporciona tracción mientras que el cuerpo garantiza el apoyo. Antes de que se inventara el caucho, las primeras versiones de neumáticos eran simplemente bandas de metal que se colocaban alrededor de las ruedas de madera para evitar el desgaste. Hoy en día, la gran mayoría de los neumáticos son estructuras neumáticas inflables , que comprenden un cuerpo en forma de rosquilla de cordones y alambres revestidos de 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 .
Aditamentos que sobresalen o cubren
Las condiciones extremas fuera de la carretera han dado lugar a la invención de varios tipos de cubiertas de ruedas, que pueden construirse como accesorios extraíbles o como cubiertas permanentes. Las ruedas como esta ya no son necesariamente redondas o tienen paneles que hacen que el área de contacto con el suelo sea plana.
Ejemplos:
- Cadenas para nieve: conjuntos de cadenas especialmente diseñados que se envuelven alrededor del neumático para proporcionar un mayor agarre, diseñados para nieve profunda. [32]
- Rueda de acorazado : un tipo de paneles con bisagras unidos permanentemente para uso general fuera de la carretera extremo. Estos no están conectados directamente a las ruedas, sino entre sí.
- Rueda de pedrail : un sistema de rieles que sostiene los paneles que sostienen el vehículo. Estos no necesariamente tienen que construirse como un círculo (rueda) y, por lo tanto, también son una forma de vía continua .
- Una versión de los ejemplos anteriores (nombre desconocido para el autor) se usó comúnmente en artillería pesada durante la Primera Guerra Mundial . Ejemplos específicos: Cannone da 149/35 A y Big Bertha . Estos eran paneles que estaban conectados entre sí mediante múltiples bisagras y podían instalarse sobre una rueda contemporánea.
- Riel continuo : un sistema de cadenas / paneles enlazados y con bisagras que cubren varias ruedas de una manera que permite que la masa del vehículo se distribuya en el espacio entre las ruedas que se colocan delante o detrás de otras ruedas.
- "Tire totes": una bolsa diseñada para cubrir un neumático para mejorar la tracción en nieve profunda. [33] [34]
Alternativas
Si bien las ruedas se utilizan mucho para el transporte terrestre, existen alternativas, algunas de las cuales son adecuadas para terrenos donde las ruedas son ineficaces. Los métodos alternativos para el transporte terrestre sin ruedas incluyen:
- Maglev
- Trineo o travois
- Aerodeslizador
- Una maquina para caminar
- Orugas (operadas por ruedas)
- Ruedas de pedrail , utilizando aspectos tanto de la rueda como de la oruga
- Esferas , como las que usan las aspiradoras Dyson y las bolas de hámster
- Vehículo propulsado por tornillos
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 estaban prohibidos en el antiguo Tíbet . En la antigua China, la rueda se ve como un símbolo de salud y fuerza y algunas aldeas la utilizan como herramienta para predecir la salud y el éxito futuros. El diámetro de la rueda es un indicador de la salud futura.
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 Carreteras del Estado de Ohio y el Ferrocarril Estatal de Tailandia . La rueda también es la figura prominente de la bandera de la India . La rueda en este caso representa la ley ( dharma ). También aparece en la bandera del pueblo romaní , aludiendo a su historia nómada y sus orígenes indios.
La introducción de ruedas de rayos ( carro ) en la Edad del Bronce Medio parece haber tenido algo de prestigio. La cruz del sol parece tener un significado en la religión de la Edad del Bronce , reemplazando el concepto anterior de una barcaza solar con el carro solar más "moderno" y tecnológicamente avanzado . La rueda también era un símbolo solar para los antiguos egipcios . [35]
Ver también
- Tipos : ruedas de aleación , rueda de artillería , la unidad de transferencia de bolas , ruedas de bicicletas , Caster , rueda dentada , la rueda acorator , ruedas de conducción , el volante , la rueda sin cubo , Inline rueda de patín , rueda de Mansell , rueda Mecanum , la rueda de la motocicleta , la rueda Omni , rueda pedrail , Prensado rueda de acero , rueda del patín , rueda de la plaza , la rueda Stairclimber , del volante ( de rueda de la nave ), rueda del tren , Tweel , rueda de carro , rueda de alambre
- Componentes : Eje , Bogie , diferenciales , de eje Drive , los mecanismos de potencia , Rim , cadenas de nieve , de radios , de neumáticos , de ruedas (transporte ferroviario)
- Tecnologías y conceptos relacionados : tornillo de Arquímedes , Barril , rueda de Breaking , rueda de color , disco compacto , rueda de la fortuna , rueda de la cerámica , la hélice , reinventar la rueda , husillo espiral , trackball , efecto carro-rueda , rueda de agua , carretilla , Sobre ruedas traseras , rueda de la Fortuna , Molinete , Molino
- Alternativas : Amortiguador de aire , la pista continua , tornillos de contra-rotación , mecanismo de la pierna , la levitación magnética , Ala-en-tierra-efecto
- Historia : El Caballo, La Rueda y el Lenguaje , Locomoción rotatoria en sistemas vivos , Locomoción terrestre en animales: Rodando , Locomoción robótica
- Teoría : Resistencia a la rodadura , Energía rotacional , Par , Rueda y eje (máquina simple) , Dimensionamiento de la rueda
- Wheelwright . Haciendo ruedas para vagones
Referencias
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