Rueda
Componente circular que gira sobre un eje

Una rueda antigua hecha de una pieza sólida de madera.

Una rueda es un componente giratorio (normalmente de forma circular) que está destinado a girar sobre un cojinete de eje . La rueda es uno de los componentes clave de la rueda y el eje , que es una de las seis máquinas simples . Las ruedas, junto con los ejes, permiten mover objetos pesados ​​fácilmente facilitando el movimiento o el transporte mientras sostienen una carga o realizan trabajo en máquinas. Las ruedas también se utilizan para otros fines, como el timón de un barco , el volante , el torno de alfarero y el volante de inercia .

Se pueden encontrar ejemplos comunes en aplicaciones de transporte . Una rueda reduce la fricción al facilitar el movimiento al rodar junto con el uso de ejes . Para que las ruedas giren, se debe aplicar un momento a la rueda sobre su eje, ya sea por gravedad o por la aplicación de otra fuerza externa o par .

Terminología

La palabra inglesa wheel (rueda) proviene del inglés antiguo hwēol , del protogermánico * hwehwlaz , del protoindoeuropeo * k w ék w los , [1] una forma extendida de la raíz * k w el- ' girar, moverse ' . Los cognados dentro del indoeuropeo incluyen el islandés hjól ' rueda, neumático ' , el griego κύκλος kúklos y el sánscrito chakra , los dos últimos significando ' círculo ' o ' rueda ' . [2]

Historia

Los artefactos arqueológicos demuestran un desarrollo lento a lo largo de los siglos en muchos lugares. [3] Varias fuentes, principalmente antiguas, atribuyeron la invención de la rueda a la civilización mesopotámica . [4] [5] [6] Algunas fuentes recientes sugieren que la rueda se inventó de forma independiente tanto en Mesopotamia como en Europa del Este o atribuyen la invención de la rueda a los europeos orientales prehistóricos, [7] [8] [9] [10] y que, a diferencia de otras invenciones revolucionarias, la rueda no puede atribuirse a un solo inventor ni a varios. Se han encontrado pruebas de los primeros carros con ruedas en Oriente Medio , en Europa , Europa del Este , India y China . No se sabe si los chinos, los indios, los europeos y los mesopotámicos inventaron la rueda de forma independiente. [11] [12]

La invención de la rueda de disco de madera maciza se sitúa a finales del Neolítico y puede verse en conjunción con otros avances tecnológicos que dieron lugar a la Edad del Bronce temprana . Esto implica el paso de varios milenios sin ruedas después de la invención de la agricultura y de la cerámica , durante el Neolítico Acerámico .

Esta rueda de los pantanos de Liubliana con eje es la rueda de madera más antigua descubierta hasta ahora y data de la Edad del Cobre (c.  3130 a. C.)

A la cultura Halaf de 6500-5100 a. C. se le atribuye a veces la representación más antigua de un vehículo con ruedas, pero no hay evidencia de que los halafianos usaran vehículos con ruedas o ruedas de alfarería. [13] Se cree que las ruedas de alfarero se usaron en el cuarto milenio a. C. en Oriente Medio. [14] Se cree que el ejemplo más antiguo que sobrevive de una rueda de alfarero es uno encontrado en Ur (actual Irak ) que data aproximadamente del 3100 a. C. [15] Sin embargo, una rueda de alfarero encontrada en el oeste de Ucrania , de la cultura Cucuteni-Trypillia , data de mediados del quinto milenio a. C., lo que es anterior al uso más temprano de la rueda de alfarero en Mesopotamia. [16] [17] [18] [19] [20] [21] Se han encontrado ruedas de fechas inciertas en la civilización del valle del Indo de finales del cuarto milenio a. C. que abarcaban áreas de la actual India y Pakistán . [22]

La evidencia indirecta más antigua de movimiento con ruedas se encontró en forma de ruedas de arcilla en miniatura al norte del Mar Negro antes de 4000  a. C. Desde mediados del cuarto milenio a. C. en adelante, la evidencia se condensa en toda Europa en forma de autos de juguete, representaciones o surcos, y el hallazgo más antiguo en el norte de Alemania data de alrededor de 3400  a. C. [23] [24] [25] 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. [26] En la segunda mitad del cuarto milenio a. C., 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 ).   

Representación de un carro tirado por onagros en el panel sumerio "Guerra" del Estandarte de Ur (c.  2500 a. C.)

Las representaciones de un vehículo con ruedas aparecieron entre 3631 y 3380 a. C. en la olla de arcilla de Bronocice excavada en un asentamiento de la cultura Funnelbeaker en el sur de Polonia . [27] En la cercana Olszanica ,  se construyó una puerta de 2,2 m de ancho para la entrada de carros; este granero tenía 40  m de largo con tres puertas, datado en 5000 a. C., y pertenecía a la cultura neolítica de la cerámica lineal . [ cita requerida ] La evidencia sobreviviente de una combinación de rueda y eje, de Stare Gmajne cerca de Liubliana en Eslovenia ( Rueda de madera de los pantanos de Liubliana ), está fechada dentro de dos desviaciones estándar en 3340-3030 a. C., el eje en 3360-3045 a. C. [28] Se conocen dos tipos de ruedas y ejes del Neolítico temprano europeo: un tipo de construcción de carros circumalpinos (la rueda y el eje giran juntos, como en la rueda de los pantanos de Liubliana) y el de la cultura de Baden en Hungría (el eje no gira). Ambos están datados en torno al  3200-3000 a. C. [29] Algunos historiadores creen que hubo una difusión del vehículo con ruedas desde Oriente Próximo a Europa alrededor de mediados del cuarto milenio a. C. [30]

Ruedas sólidas en un pesado automóvil de templo , en contraste con las ruedas más livianas con radios de alambre de la bicicleta roadster negra en primer plano.

Las primeras ruedas eran simples discos de madera con un orificio para el eje. Algunas de las primeras ruedas se fabricaban a partir de rodajas horizontales de troncos de árboles. Debido a la estructura desigual de la madera , una rueda fabricada a partir de una rodaja horizontal de un tronco de árbol tenderá a ser inferior a una fabricada a partir de 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 alrededor del  año 2000 a. C. ( lago Krivoye ). Poco después, las culturas de caballos de la región del Cáucaso utilizaron carros de guerra con ruedas de radios tirados por caballos durante la mayor parte de tres siglos. Se trasladaron a las profundidades de 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 a. C.

En China  , se han encontrado huellas de ruedas que datan de alrededor de 2200 a. C. en Pingliangtai, un sitio de la cultura Longshan . [31] También se encontraron huellas similares en Yanshi , una ciudad de la cultura Erlitou , que datan de alrededor de 1700 a. C. La evidencia más antigua de ruedas de radios en China proviene de Qinghai , en forma de dos cubos de rueda de un sitio que data de entre 2000 y 1500  a. C. [32] Los vehículos con ruedas se introdujeron en China desde el oeste. [33] [34] [35]

En Gran Bretaña, en 2016 se descubrió en el yacimiento de Must Farm , en Anglia Oriental, una gran rueda de madera de aproximadamente 1 m de diámetro. El ejemplar, que data del 1100 al 800 a. C., es el más completo y antiguo de su tipo hallado en Gran Bretaña. También está presente el eje de la rueda. El espinazo de un caballo hallado cerca sugiere que la rueda puede 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 la tierra firme. [36]

Figura que representa la rueda, inventada independientemente en el Nuevo Mundo . Entre los lugares donde se encontraron juguetes con ruedas, Mesoamérica es el único en el que la rueda nunca se utilizó en la práctica antes del siglo XVI.

Aunque el uso a gran escala de la rueda no se produjo en América antes del contacto europeo , se han encontrado numerosos artefactos pequeños con ruedas, identificados como juguetes infantiles, en sitios arqueológicos mexicanos, algunos de los cuales datan de aproximadamente 1500 a. C. [37] Algunos sostienen que el principal obstáculo para el desarrollo a gran escala de la rueda en América fue la ausencia de animales grandes domesticados que pudieran usarse para tirar de carruajes con ruedas. [38] El pariente más cercano del ganado presente en América 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. [39] El único animal grande que fue domesticado en el hemisferio occidental, la llama , un animal de carga, no estaba físicamente adaptado para su uso como animal de tiro para tirar de vehículos con ruedas, [40] y el uso de la llama no se extendió mucho más allá de los Andes en el momento de la llegada de los europeos.

Por otra parte, los mesoamericanos nunca desarrollaron la carretilla , el torno de alfarero ni ningún otro objeto práctico con rueda o ruedas. [41] [42] Aunque está presente en una serie de juguetes, muy similares a los que se encuentran en todo el mundo y que todavía se fabrican para niños hoy en día ("juguetes de arrastre"), [41] [42] la rueda nunca se puso en uso práctico en Mesoamérica antes del siglo XVI. [41] [42] Posiblemente lo más cercano que llegaron los mayas a la rueda utilitaria es el malacate , y algunos estudiosos creen que estos juguetes se hacían originalmente con malacates y palos de huso como "ruedas" y "hachas". [42]

Los aborígenes australianos utilizaban tradicionalmente discos circulares que rodaban por el suelo para practicar tiro al blanco. [43]

Los nubios de después del 400  a. C. usaban ruedas para hilar cerámica y como ruedas hidráulicas . [44] Se cree que las ruedas hidráulicas nubias pueden haber sido impulsadas por bueyes. [45] También se sabe que los nubios usaban carros tirados por caballos importados de Egipto . [46]

A partir del siglo XVIII en África Occidental, los vehículos con ruedas se utilizaron principalmente con fines ceremoniales en lugares como Dahomey . [47] La ​​rueda apenas se utilizó para el transporte, con la excepción de Etiopía y Somalia en África subsahariana hasta bien entrado el siglo XIX. [48] [47]

Tres ruedas de radios en un triciclo antiguo

La rueda de radios se siguió utilizando sin grandes modificaciones hasta la década de 1870, cuando se inventaron las ruedas de radios de alambre y los neumáticos . [49] 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 ligera. Las primeras ruedas de alambre con radios radiales dieron lugar a las ruedas de alambre con radios tangenciales, que se utilizaron ampliamente en los automóviles hasta finales del siglo XX. Ahora se utilizan más comúnmente las ruedas de aleación fundida ; las ruedas de aleación forjadas se utilizan cuando el peso es crítico.

La invención de la rueda también ha sido importante para la tecnología en general, entre las aplicaciones importantes se incluyen la rueda hidráulica , la rueda dentada (véase también mecanismo de Anticitera ), la rueda giratoria y el astrolabio o torquetum . Los descendientes más modernos de la rueda incluyen la hélice , el motor a reacción , el volante de inercia ( giroscopio ) y la turbina .

Mecánica y función

Un vehículo con ruedas requiere mucho menos trabajo para moverse que si simplemente arrastrara el mismo peso. La baja resistencia al movimiento se explica por el hecho de que el trabajo de fricción realizado ya no se realiza en la superficie que recorre el vehículo, sino en los cojinetes . En el caso más simple y antiguo, el cojinete es simplemente un orificio redondo por el que 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 el arrastre simple.
  • La distancia de deslizamiento se reduce para una distancia de recorrido determinada.
  • 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 un 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, démosle al objeto 4 ruedas. La fuerza normal entre las 4 ruedas y los ejes es la misma (en total): 981 N. Supongamos, para la madera, que μ  = 0,25 y que el diámetro de la rueda es de 1000 mm y el del eje de 50 mm. De modo que, mientras el objeto sigue moviéndose 10 m, las superficies de fricción deslizantes solo se deslizan una sobre 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 trabajo de arrastre.

Se pierde energía adicional en la interfaz entre la rueda y la 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 motor final y de 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 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 en sí 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 el punto de que no se ha podido fechar.

Construcción

Borde

Una rueda de aleación de aluminio

La llanta es el "borde exterior de una rueda, que sostiene el neumático". [50] Constituye el diseño circular exterior de la rueda en la que se monta el borde interior del neumático en vehículos como los 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 la cámara.

En el primer milenio a. C. 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 buje (también conocida como rueda con rim-rider o rueda sin centro) es un tipo de rueda sin buje central. Más específicamente, el buje es casi tan grande como la rueda misma. El eje es hueco y sigue la rueda con tolerancias muy estrechas .

Radios

Una rueda de radios expuesta en el Museo Nacional de Irán , en Teherán . La rueda data de finales del segundo milenio a. C. y fue excavada en Choqa Zanbil .

Un radio es una de las numerosas varillas que parten del centro de una rueda (el cubo donde se conecta el eje ) y conectan el cubo con la superficie de tracción redonda. El término se refería originalmente a porciones de un tronco que se habían dividido longitudinalmente en cuatro o seis secciones. Los miembros radiales de una rueda de carreta se hacían tallando un radio (de un tronco) en su forma final. Un cepillo de radios es una herramienta desarrollada originalmente para este propósito. Con el tiempo, 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 con radios de alambre") están conectadas a sus ejes 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 recta 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 inventadas por el ingeniero aeronáutico George Cayley y utilizadas por primera vez en bicicletas por James Starley . El proceso de ensamblaje de ruedas de alambre se describe como construcción de ruedas .

Neumático

Una rueda con neumático de automóvil fabricada por la empresa BMW

Un neumático ( en inglés americano e inglés canadiense ) o neumático ( en inglés de la Commonwealth ) es una cubierta en forma de anillo que se ajusta alrededor de la llanta de una rueda para protegerla y permitir un mejor rendimiento del vehículo al proporcionar un cojín flexible que absorbe los impactos mientras mantiene la rueda en estrecho contacto con el suelo. La palabra en sí puede derivar de la palabra "tie", 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 arriba).

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 banda de rodadura y un cuerpo. La banda de rodadura proporciona tracción mientras que el cuerpo asegura el 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 inflables neumáticas , 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 neumáticos se utilizan en muchos tipos de vehículos, como automóviles , bicicletas , motocicletas , camiones , excavadoras y aviones .

Accesorios que sobresalen o cubren

Las condiciones extremas fuera de carretera han dado lugar a la invención de varios tipos de cubiertas para ruedas, que pueden construirse como accesorios extraíbles o como cubiertas permanentes. Las ruedas de este tipo ya no son necesariamente redondas ni tienen paneles que hagan que la zona de contacto con el suelo sea plana.

Algunos ejemplos incluyen:

  • Cadenas para nieve : conjuntos de cadenas especialmente diseñados que envuelven el neumático para proporcionar un mayor agarre, diseñados para nieve profunda. [51]
  • Rueda Dreadnaught : un tipo de paneles articulados unidos de forma permanente para uso todoterreno extremo en general. No están conectados directamente a las ruedas, sino entre sí.
  • Rueda Pedrail : sistema de rieles que sostiene los paneles que sostienen el vehículo. No necesariamente tienen que estar construidos en forma de círculo (rueda) y, por lo tanto, también son una forma de vía continua .
  • Una versión de los ejemplos anteriores (cuyo nombre desconoce el autor) se utilizó comúnmente en la artillería pesada durante la Primera Guerra Mundial . Ejemplos específicos: Cannone da 149/35 A y Big Bertha . Se trataba de paneles que estaban conectados entre sí mediante múltiples bisagras y podían instalarse sobre una rueda contemporánea.
  • Vía continua : Un sistema de cadenas/paneles unidos y articulados que cubren varias ruedas de manera que permite que la masa del vehículo se distribuya en el espacio entre las ruedas que están posicionadas delante o detrás de otras ruedas.
  • "Bolsas para neumáticos": Bolsas diseñadas para cubrir un neumático y mejorar la tracción en nieve profunda. [52] [53]

Las ruedas de los camiones y autobuses pueden bloquearse (dejar de girar) en determinadas circunstancias, como por ejemplo si falla el sistema de frenos. Para ayudar a detectar esto, a veces cuentan con "indicadores de rotación de ruedas": tiras de plástico de colores adheridas a la llanta y que sobresalen de ella, de modo que el conductor puede verlas en los espejos laterales . Estos dispositivos fueron inventados y patentados en 1998 por el propietario de un taller de camiones canadiense. [54]

Alternativas

Si bien las ruedas se utilizan ampliamente 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:

Simbolismo

La rueda del tiempo en el jainismo .

La rueda también se ha convertido en una fuerte metáfora cultural y espiritual de un ciclo o repetición regular (ver chakra , reencarnación , Yin y Yang , entre otros). Como tal y debido al difícil terreno, los vehículos con ruedas estaban prohibidos en el antiguo Tíbet . La rueda en la antigua China es vista como un símbolo de salud y fuerza y ​​utilizada por algunos pueblos como una herramienta para predecir la salud y el éxito futuros. El diámetro de la rueda es un indicador de la salud futura de uno. El Kalachakra o rueda del tiempo también es un tema en algunas formas de budismo , junto con el dharmachakra . [55] [56]

La rueda alada es un símbolo de progreso que se ve en muchos contextos, incluido el escudo de armas de Panamá , el logotipo de la Patrulla Estatal de Carreteras de Ohio y el Ferrocarril Estatal de Tailandia . La rueda también es la figura destacada de la bandera de la India . La rueda en este caso representa la ley ( dharma ). También aparece en la bandera del pueblo romaní , lo que hace alusión a su historia nómada y sus orígenes indios.

La introducción de ruedas de radios ( para carros ) en la Edad del Bronce Medio parece haber aportado cierto prestigio. La cruz solar parece tener importancia en la religión de la Edad del Bronce , sustituyendo el concepto anterior de barca solar por el carro solar , más "moderno" y tecnológicamente avanzado . La rueda también era un símbolo solar para los antiguos egipcios . [57]

En el uso moderno, la "invención de la rueda" puede considerarse un símbolo de una de las primeras tecnologías de la civilización temprana, junto con la agricultura y la metalistería, y por lo tanto puede usarse como punto de referencia para calificar el nivel de progreso social. [ cita requerida ]

Algunos neopaganos , como los wiccanos, han adoptado la Rueda del Año en sus prácticas religiosas. [58]

La "visión del carro" de Ezequiel 1 , por Matthaeus Merian (1593-1650).

Véase también

Referencias

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