Коловорот (простий механізм)

Коловорот^[1] або ко́рба^[2], во́рот^[3] — це один із шести простих механізмів, конструкція якого була визначена кресленнями, виконаними науковцями доби Відродження за грецькими текстами на технологічну тематику.^[4] Основою конструкції коловорота в цілому вважають колесо, закріплене на (осьовому валу) таким чином, що ці дві деталі рухаються разом та передають механічну енергію одна одній. У цій конфігурації — спеціальний шарнір або вальниця підтримують обертальний рух вала.

Схема коловорота

Коловорот колодязя — широко відомий приклад застосування механізму коловорота.

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Коловорот.

У Вікіпедії є статті про інші значення цього терміна: Корба (значення).

Запит «Ворот» перенаправляє сюди; про село в Білорусі див. Ворот (Смолевицький район).

Герон Александрійський визначав коловорот як один із п'яти простих механізмів, що використовуються для піднімання вантажів.^[5] Його також інтерпретують як різновид лебідки, яка складається зі шківа, з'єднаного з циліндричним валом, що забезпечує наявність передатного відношення, необхідного для намотування мотузки та піднімання вантажу, наприклад, відра води з колодязя^[6].

Така система є різновидом важеля, із навантаженням, спрямованим по дотичній до поверхонь колеса та осьового вала, урівноважених навколо шарніра, який виконує роль точки опори. Тому передатне відношення коловорота — це співвідношення відстаней від точки опори до місць докладання сили або навантаження, що в даному випадку відповідає співвідношенню радіальних вимірів колеса та осьового вала^[7][8].

Історія

Бруси, вставлені у кабестан, забезпечують механізмові коловорота необхідне передатне відношення для підйому якоря.

Водяне колесо приводить в рух мотузкову лебідку для підйому вантажів у середньовічному гірництві.

Криниця з коловоротом

Коловорот з блоком

Коли повернути таку дверну ручку, то всередині механізму повернеться і маленький вал, призначений відтягувати язичок замка.

Найдавнішим чітко датованим зображенням колісного транспортного засобу є (віз — чотири колеса, дві осі) зображення на вазі з Броноцице — керамічній вазі ще з 3635-3370 рр. до н. е., знайденій під час розкопок у поселенні археологічної культури лійчастого посуду на півдні Польщі^[9].

Найстаріший відомий приклад дерев'яного колеса та його осьового вала був знайдений у 2002 році на люблянських болотах, за якихось 20 км на південь від Любляни, столиці Словенії. Відповідно до результатів радіовуглецевого датування, цьому колесу-коловороту — від 5100 до 5350 років. Колесо було виготовлене з ясена та дуба і мало радіус 70 см та осьовий вал довжиною у 120 см, виготовлений із ясена.^[10]

Передатне відношення

Простий механізм під назвою коловорот — це поєднання двох дисків або циліндрів із різними діаметрами, змонтованих таким чином, що вони обертаються разом навколо однієї осі. Сила, яка прикладається до країв цих двох дисків або циліндрів — забезпечує необхідне передатне відношення. У випадку застосування такого механізму як колеса транспортного засобу — менший циліндр є одночасно осьовим валом та віссю самого колеса, але при використанні у лебідці, брашпилі або інших схожих пристроях (див. зображення середньовічного гірничого підйомника справа) менший циліндр може бути відокремленим від додаткового осьового вала, закріпленого на вальницях^[11][12].

Зважаючи на те, що колесо та осьовий вал не розсіюють та не зберігають в собі енергію, — потужність, яка генерується силою, прикладеною до колеса, повинна дорівнювати вихідній потужності вала. Оскільки весь механізм коловорота обертається навколо вальниць, крайні периферійні точки, або просто — краї колеса — рухаються швидше, аніж периферійні точки, або краї (кола) осьового валу. Тому ефективне зусилля, яке прикладається до країв колеса є меншим, аніж сила, яка діє на коло вала, адже потужність — це результат сили й швидкості.^[13]

Нехай a та b — це відстані від центра вальниці до країв колеса A та осьового валу B відповідно. Якщо до країв колеса прикладається сила F_A, тоді як сила F_B — є вихідною на колі осьового валу, то відношення між швидкістю точок на краях колеса A та валу B можна виразити як a/b. Таким чином відношення вихідної сили до вхідної, або передатне відношення коловорота — можна визначити за формулою:

${\displaystyle MA={\frac {F_{B}}{F_{A}}}={\frac {a}{b}}.}$

де

MA = передатне відношення (англ. Mechanical Advantage)

Передатне відношення такого простого механізму як коловорот — вираховується як відношення сили опору до прикладеного зусилля. Чим більшим є результат цього відношення, тим більшим є множник отримуваної сили (крутного моменту) або пройденої відстані. Змінюючи радіус колеса або осьового валу, можна досягти будь-якого значення передатного відношення.^[8] Таким чином, розмір колеса (більшого диску або циліндра) можна збільшити настільки, що користуватися ним стане незручно. В такому випадку зазвичай використовується ціла система комбінацій коліс та коліщат (часто — зубчастих, тобто шестерень). Оскільки коловорот є різновидом важеля, система з декількох коловоротів є чимось на зразок складаного важеля.^[14]

Ідеальне передатне відношення

Ідеальне передатне відношення коловорота визначається за такою формулою:

${\displaystyle I.M.A.={\frac {Radius_{Wheel}}{Radius_{Axle}}}}$

де

I.M.A. = ідеальне передатне відношення (англ. Ideal Mechanical Advantage)

Radius_Wheel = радіус колеса.

Radius_Axle = радіус вала.

Дійсне передатне відношення

Дійсне передатне відношення коловорота визначається за такою формулою:

${\displaystyle A.M.A.={\frac {R}{E_{actual}}}}$

де

A.M.A. = дійсне передатне відношення (англ. Actual Mechanical Advantage)

R = сила опору, тобто, вага відра з водою у випадку коловорота колодязя.

E_actual = дійсне прикладене зусилля — сила, необхідна для того, аби повертати колесо.

Практичне застосування

Застосовується в ручних підіймальних пристроях, наприклад, для підняття відер з криниць, колись широко вживався на будівництві й шахтарстві. Конструкції деяких облогових машин і середньовічних потужних арбалетів часто передбачали їх зведення коловоротом. Принцип цього простого механізму використовується в інструменті для свердління, який теж називається коловоротом.

Див. також

• Брашпиль
• Кабестан
• Кривошип
• Лебідка
• Штурвал