La rueda y el eje es una máquina sencilla que consta de una rueda unida a un eje más pequeño de modo que estas dos partes giran juntas en lo que se transfiere una fuerza de una a la otra. La rueda y el eje pueden verse como una versión de la palanca, con una fuerza motriz aplicada tangencialmente al perímetro de la rueda y una fuerza de carga aplicada al eje soportado en un cojinete , que sirve como punto de apoyo.
A la cultura Halaf de 6500-5100 a. C. se le atribuye la representación más antigua de un vehículo con ruedas, pero esto es dudoso ya que no hay evidencia de que los halafitos utilicen vehículos con ruedas o incluso tornos de cerámica. [1]
Una de las primeras aplicaciones del torno en aparecer fue el torno de alfarero , utilizado por las culturas prehistóricas para fabricar vasijas de barro. El tipo más antiguo, conocido como "tournettes" o "ruedas lentas", se conocía en Oriente Medio en el quinto milenio a.C. Uno de los primeros ejemplos fue descubierto en Tepe Pardis, Irán , y data del 5200 al 4700 a.C. Estaban hechos de piedra o arcilla y asegurados al suelo con una estaca en el centro, pero requerían un esfuerzo importante para girarlos. Los verdaderos tornos 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. [2] El ejemplo más antiguo que se conserva, que se encontró en Ur (actual Irak ), data aproximadamente del 3100 a.C. [3]
A finales del cuarto milenio antes de Cristo aparecieron pruebas de la existencia de vehículos con ruedas . Las representaciones de carros con ruedas encontradas en pictografías de tablillas de arcilla en el distrito de Eanna de Uruk , en la civilización sumeria de Mesopotamia, están fechadas entre el 3700 y el 3500 a.C. [4] En la segunda mitad del cuarto milenio a. C., aparecieron pruebas de vehículos con ruedas casi simultáneamente en el Cáucaso septentrional ( cultura Maykop ) y en Europa del este ( cultura Cucuteni-Trypillian ). Representaciones de un vehículo con ruedas aparecieron entre 3500 y 3350 a. C. en la vasija de barro Bronocice excavada en un asentamiento cultural Funnelbeaker en el sur de Polonia . [5] En la cercana Olszanica se construyó una puerta de 2,2 m de ancho para la entrada de vagones; Este granero tenía 40 m de largo y 3 puertas. [6] La evidencia sobreviviente de una combinación de rueda y eje, de Stare Gmajne cerca de Liubliana en Eslovenia ( Ljubljana Marshes Wooden Wheel ), está fechada dentro de dos desviaciones estándar entre 3340 y 3030 a. C., y el eje entre 3360 y 3045 a. [7] 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 Baden en Hungría (el eje no gira). Ambos datan de c. 3200-3000 a. C. [8] Los historiadores creen que hubo una difusión del vehículo con ruedas desde el Cercano Oriente a Europa alrededor de mediados del cuarto milenio a.C. [9]
Un ejemplo temprano de rueda de madera y su eje se encontró en 2002 en las marismas de Liubliana, a unos 20 kilómetros al sur de Liubliana , la capital de Eslovenia. Según la datación por radiocarbono , tiene entre 5.100 y 5.350 años. La rueda estaba hecha de fresno y roble y tenía un radio de 70 cm y el eje tenía 120 cm de largo y era de roble. [10]
En China , la evidencia más antigua de ruedas de radios proviene de Qinghai en forma de dos cubos de rueda de un sitio que data entre 2000 y 1500 a. C. [11]
En el Egipto romano , Héroe de Alejandría identificó la rueda y el eje como una de las máquinas sencillas utilizadas para levantar pesas. [12] Se cree que tenía la forma de un molinete que consiste en una manivela o polea conectada a un cilindro cilíndrico que proporciona una ventaja mecánica para enrollar una cuerda y levantar una carga, como un cubo, del pozo. [13]
La rueda y el eje fueron identificados como una de las seis máquinas simples por los científicos del Renacimiento, basándose en textos griegos sobre tecnología. [14]
La máquina simple llamada rueda y eje se refiere al conjunto formado por dos discos, o cilindros, de diferentes diámetros montados de manera que giren juntos alrededor de un mismo eje. La varilla delgada que hay que girar se llama eje y el objeto más ancho fijado al eje, sobre el que aplicamos fuerza, se llama rueda. Una fuerza tangencial aplicada a la periferia del disco grande puede ejercer una fuerza mayor sobre una carga unida al eje, logrando una ventaja mecánica . Cuando se usa como rueda de un vehículo con ruedas , el cilindro más pequeño es el eje de la rueda, pero cuando se usa en un molinete , cabrestante y otras aplicaciones similares (ver elevador minero medieval a la derecha), el cilindro más pequeño puede estar separado del eje montado. en los rodamientos. No se puede utilizar por separado. [15] [16]
Suponiendo que la rueda y el eje no disipan ni almacenen energía, es decir, no tienen fricción ni elasticidad , la potencia entrante por la fuerza aplicada a la rueda debe ser igual a la potencia producida en el eje. A medida que el sistema de rueda y eje gira alrededor de sus cojinetes, los puntos de la circunferencia o borde de la rueda se mueven más rápido que los puntos de la circunferencia o borde del eje. Por lo tanto, una fuerza aplicada al borde de la rueda debe ser menor que la fuerza aplicada al borde del eje, porque la potencia es el producto de la fuerza y la velocidad. [17]
Sean a y b las distancias desde el centro del rodamiento hasta los bordes de la rueda A y el eje B. Si la fuerza de entrada F A se aplica al borde de la rueda A y la fuerza F B en el borde de la El eje B es la salida, entonces la relación de las velocidades de los puntos A y B está dada por a/b , por lo que la relación entre la fuerza de salida y la fuerza de entrada, o ventaja mecánica , está dada por
La ventaja mecánica de una máquina simple como la rueda y el eje se calcula como la relación entre la resistencia y el esfuerzo. Cuanto mayor sea la relación, mayor será la multiplicación de la fuerza (par) creada o la distancia alcanzada. Variando los radios del eje y/o de la rueda, se puede obtener cualquier ventaja mecánica. [18] De esta manera, el tamaño de la rueda puede aumentarse de forma inconveniente. En este caso se utiliza un sistema o combinación de ruedas (a menudo dentadas, es decir, de engranajes ). Así como una rueda y un eje son un tipo de palanca, un sistema de ruedas y ejes es como una palanca compuesta. [19]
En un vehículo de ruedas motorizado, la transmisión ejerce una fuerza sobre el eje que tiene un radio menor que el de la rueda. La ventaja mecánica es, por tanto, muy inferior a 1. Por tanto, la rueda y el eje de un coche no son representativos de una máquina simple (cuya finalidad es aumentar la fuerza). La fricción entre la rueda y la carretera es bastante baja, por lo que incluso una pequeña fuerza ejercida sobre el eje es suficiente. La verdadera ventaja reside en la gran velocidad de rotación a la que gira el eje gracias a la transmisión.
La ventaja mecánica de una rueda y un eje sin fricción se denomina ventaja mecánica ideal (IMA). Se calcula con la siguiente fórmula:
Todas las ruedas reales tienen fricción, lo que disipa parte de la potencia en forma de calor. La ventaja mecánica real (AMA) de una rueda y un eje se calcula con la siguiente fórmula:
dónde
Máquinas básicas y cómo funcionan, Estados Unidos. Oficina de Personal Naval, Courier Dover Publications 1965, págs. 3–1 y siguiente vista previa en línea
