Подойдут ли шестерни из камня?

Я пишу об обстановке, в которой у людей есть некоторые передовые теоретические знания, но пока ограниченные производственные возможности; в частности, у них еще нет металлургии, но они пытаются сделать некоторые довольно сложные машины, такие как прялки, тачки, гончарные круги и водяные мельницы, требующие точных движущихся частей, способных выдерживать значительные нагрузки; в нашем мире им пришлось ждать, пока их можно будет сделать из металла.

Но одна вещь, к которой у них есть доступ, — это магическая сила формировать камень. Это устраняет обычный недостаток камня для таких целей, заключающийся в том, что из него нельзя легко придать точные и сложные формы.

По-прежнему существует проблема, заключающаяся в том, что хотя некоторые виды камня (например, кремень) тверды и устойчивы к износу, камень всегда имеет низкую прочность на растяжение. В некоторых приложениях это можно преодолеть, просто используя достаточную толщину, но шестерни должны подходить к машине, которую они приводят, а колеса и оси не могут быть произвольно тяжелыми и при этом двигаться.

Учитывая возможность придавать любому камню произвольно точные и сложные формы, можно ли заставить работать вышеперечисленные артефакты?

На данный момент я считаю, что такие вещи средней грузоподъемности, как гончарные круги, могут работать, просто если сделать все движущиеся части достаточно толстыми, чтобы выдерживать относительно небольшие нагрузки на них; я думаю, что гончарный круг не должен выдерживать силы выше нескольких сотен ньютонов. Но водяная мельница? Мне кажется, что шестерни, соединяющие мельницу с грузом, который она приводит, должны выдерживать огромную силу, такую, чтобы, если бы они были сделаны из камня, зубья шестерни быстро бы сломались; для этого применения нет альтернативы использованию металла, потому что вам нужна как твердость, так и прочность на растяжение.

Верна ли эта оценка, или я что-то упускаю? Есть ли простой способ сделать количественные оценки для этого?

Да, если из дерева умудрялись делать машины со сложными шестернями, то и из камня умеют... А камню, наверное, легче придать форму, чем дереву, вы только посмотрите, чем деревянные статуи отличаются от мраморных или каменных... Дерево требует больше навыков и более продвинутых инструментов.
@user85880 user85880 Верно, значит, вы согласны с моей интуицией, что некоторые виды сложных машин могут работать, если они сделаны из камня. Но каков верхний предел того, с какими силами можно справиться, прежде чем прочность на сдвиг станет проблемой? Он останавливается перед чем-то вроде водяной мельницы?
«В нашем мире им пришлось ждать, пока их можно будет сделать из металла»: нет, не сделали. Они были сделаны из дерева. Вы не найдете никаких «прялок, тачек, гончарных кругов и водяных мельниц» из металла до 19 века; и даже сегодня тачки довольно часто делают из дерева, а гончарные круги очень часто. Древесина гораздо лучше подходит для такого рода применений, чем камень, так как она и легче, и прочнее на растяжение. (Кроме того, с ним намного легче работать и формировать.)
Дерево для низкоскоростных систем с высоким крутящим моментом и кожаные ремни на шкивах для высокоскоростных систем с низким крутящим моментом. Металл нужен только в том случае, если вы хотите сделать что-то сверхвысокой точности, например, хронометр, или если требуется высокая скорость и высокий крутящий момент. Токарный станок по металлу, например.
Обратите внимание, что почти никогда не нужно использовать шестерни!! Шестерни обеспечивают простое и компактное средство изменения скорости и крутящего момента вашей системы привода. Водяную мельницу, например, можно построить без каких-либо шестеренок, просто увеличив водяное колесо до абсурдно больших размеров.
Очень аккуратные предметы можно сделать из дерева. Раньше логарифмические линейки изготавливались из дерева, и более совершенные из них более точны, чем металлические, потому что металл меняет размер в зависимости от температуры.
@PcMan, за исключением того факта, что жернов поворачивается перпендикулярно водяному колесу.
@AlexP: Также древесина обладает очень высокой устойчивостью к излому, в то время как камень раскалывается и ломается, если сила на нем слишком велика.
@Джон не всегда. Я видел как голландскую, так и китайскую водяную мельницу с прямым приводом вертикальной дробильной головки с катящимся камнем, которая находится на поворотном столе. Вы можете щуриться и называть это беззубым механизмом, но вам нужно очень сильно щуриться.
Кстати, они тоже могут очищать камни своей магией? Например, сделать идеальный кристалл кварца или что-то в этом роде? Там могут быть некоторые возможности, если вы сможете начать работать с чистыми совершенными кристаллами вместо обычных камней.
@PcMan в любом случае вы можете делать повороты на 90 ° с помощью шкивов и ремней, а колеса тривиальны по сравнению с шестернями.
Можно ли использовать магию для ремонта существующего каменного предмета или только при первоначальном создании? Кроме того, насколько распространены те, кто может творить магию? Это талант у всех или только у редких специалистов?
@PcMan также некоторые европейские водяные мельницы имели горизонтальные колеса, непосредственно приводящие в движение горизонтальные камни. Хотя они были маленькими - undiscoveredscotland.co.uk/lewis/norsemill/index.html
Достаточно ли хороша каменная магия для деталей, армированных волокном?
Во Флинтстоунах каменные колеса работали IIRC. Так что наверняка он должен работать хорошо!
Вообще говоря, камень слишком хрупок для зубчатых колес. Попадите в аварийную ситуацию, когда шестерни стучат друг о друга, и у вас выпадут зубы или, что еще хуже, очень быстро. Деревянные шестерни могут справиться с этим лучше, потому что древесина гибкая. Кроме того, деревянные «шестерни» обычно имели штифты вместо зубьев, поэтому штифты можно было легко заменить, если они сломаются. Попытка использовать камень для колышков плоха, так как явный стресс, скорее всего, просто сломает колышек при регулярном использовании. Камень часто ломается при обработке, чего нельзя сказать о дереве.
@computercarguy Деревянные колышки для ушей означали, что на всех зубьях шестерни текстура древесины могла двигаться так, как лучше всего подходит для действующих на нее сил. Возможность заменить сломанные зубья на шестерне — это здорово, лучше иметь их достаточно прочными, чтобы замена не требовалась так часто.

Ответы (8)

На самом деле, в истории все, что вы упоминаете, было сделано из дерева, особенно любые большие колеса, такие как механизмы водяных или ветряных мельниц. Гончарные круги также были полностью деревянными. Единственным металлом, который вы можете найти в историческом водяном колесе, могут быть гвозди, помогающие удерживать его вместе... но даже их можно заменить настоящими деревянными колышками.

На самом деле вам не нужны большие колеса из камня. их было бы намного труднее повернуть (они намного, намного тяжелее), и поэтому потребовалось бы гораздо больше энергии. Кроме того, возникла бы огромная проблема с получением и транспортировкой тех огромных плит, из которых вы хотите сделать колеса - диаметр водяных колес достигал 8-10 метров! Они были сделаны из деревянного каркаса... представьте, что это сделано из камня - я сомневаюсь, что вы найдете материал для оси (поскольку колесо должно висеть на центральной оси). Традиционно оси изготавливались из дерева.

Я не уверен (я не инженер-материаловед), но я считаю, что дерево на самом деле более устойчиво в таких приложениях, чем камень. Ведь даже в каменных зданиях кровельные конструкции были полностью деревянными (помните сгоревшую в 2019 году дубовую крышу Собора Парижской Богоматери?)

Пример ветряной мельницы: https://www.alamy.com/the-netherlands-internal-mechanism-of-a-traditional-windmill-close-up-image216205468.html

древесина лучше подходит для зубчатых колес, потому что она устойчива к отвесным силам, и по той же причине она использовалась для каркаса крыши. дерево использовалось для облицовки крыши, потому что оно было дешевым, камень работал лучше, но был дороже.
Вы найдете камень, используемый, например, в мукомольных мельницах, но только как последнюю часть, которая фактически выполняет помол. (Таким образом, мука «каменного помола».) Остальное, вероятно, будет сделано из дерева.
Вам не хватает закрывающей скобки в конце второго абзаца.
В гончарных кругах не использовались шестерни, но они обычно вращались на металлическом наконечнике и гнезде. Изготовление гончарного круга полностью из дерева было бы весьма пожароопасным. Однако более крупные и медленно вращающиеся вещи, такие как водяные колеса, часто делались полностью из дерева. Если вы хотите сделать что-то меньшее, например антикитерский механизм, дерево будет слишком хрупким.
@Nosajimiki не более пожароопасен, чем деревянная ось на повозке, водяном колесе или токарном станке. полностью деревянные гончарные круги исторически были довольно распространены. конечно можно и их смазать.
Для настоящих зубов предпочтение отдавалось древесине яблони, выдержанной 9 лет, из-за ее твердости. (И уже тогда зубья были сменными, входящими в конусы в ободе колеса (или для шестерен, как стержни между двумя ободьями - см. "фонарная шестерня")
@Kat Обязательно xkcd: xkcd.com/859

Если ты можешь волшебным образом придать ему форму, то да.

Возьмем, к примеру, известняк... это очень распространенный вид камня, который можно найти по всему миру; таким образом, вашим людям в значительной степени гарантирован доступ к большому количеству этого. Несмотря на свою обычно мягкую природу, некоторые известняки могут иметь свойства при растяжении, очень похожие на алюминий, несмотря на его более низкий модуль упругости.

Известняк высокой плотности:

  • Модуль упругости (Юнга, растяжения): 77 ГПа
  • Модуль сдвига: 30 ГПа
  • Предельная прочность на растяжение: 100 МПа

Алюминиевый сплав:

  • Модуль упругости (Юнга, растяжения): 69 ГПа
  • Модуль сдвига: 30 ГПа
  • Предельная прочность на растяжение: 110 МПа

Тем не менее, часть того, почему его модуль разрыва настолько ниже, связана с естественными несовершенствами, как объяснено в ( ответ Дэвида Р. ), но если вы можете волшебным образом формировать камень, то это означает, что вы можете формировать из него эти несовершенства, делая его намного прочнее натурального камня. Поскольку известняк состоит в основном из карбоната кальция, это означает, что после того, как он будет правильно сформирован и сжат, он будет иметь примерно те же свойства материала, что и раковина улитки или гомогенизированный синтетический мрамор... которые по сравнению с ними очень прочны.

Так что, приложив немного магии и экспериментов, вполне вероятно, что ваши люди смогут превратить даже скромный известняк в жизнеспособные механизмы. Ваши шестерни, возможно, должны быть немного более громоздкими, чем их металлические аналоги, но для своего веса они должны работать очень хорошо.

Одна из причин, по которой это будет хорошо, заключается в том, что металлические шестерни или ременные передачи не использовались для таких вещей, как зерновые мельницы или гончарные круги, до поздней индустриальной эпохи, но они были необходимы для широкого круга других древних изобретений, где требовалась большая жесткость, чем древесина. или белье может поставить. Таким образом, вместо того, чтобы беспокоиться о том, как заменить большие металлические шестерни каменными, вашей главной заботой будет замена шестерен меньшего размера, которые вы видели в различных устройствах для измерения времени, одометрах, счетных машинах, лебедках и трещотках, некоторых текстильных машинах, некоторые водоподъемные машины и автоматы. Для большинства из них вам нужно гораздо больше жесткости, чем прочности.

Таким образом, на самом деле потребность в чем-то столь прочном, как металл, не будет обычным явлением, но он все равно будет доступен, когда это необходимо, в форме сапфира . Сапфир имеет прочность на изгиб от 350 до 390 МПа по сравнению с бронзой, которая колеблется в пределах 65-700 МПа . Тем не менее, эти цифры основаны на современных бронзовых сплавах, а не на исторической бронзе, которая, вероятно, находилась бы в нижнем диапазоне этого спектра. Кроме того, от 350 до 390 не хуже натурального сапфира. Если вы можете определить примеси, то вы можете получить что-то близкое к синтетическому сапфиру, который может достигать 1090 МПа .

Источники:

Известняк — это целое семейство горных пород, и они чрезвычайно разнообразны. Некоторые из них крепкие и упругие... но мел тоже относится к известняку...
@Archelaos Я думаю, что возможность очистить известняк до более безупречного состояния сводит на нет это значение для целей этого вопроса, но вы правы. Я обновил свой язык, чтобы уточнить, что не весь известняк соответствует этим спецификациям материала.
Модуль сдвига и модуль упругости являются мерами жесткости, а не прочности, и в значительной степени не имеют значения. Кроме того, предел прочности алюминия, используемого во всем, что подвергается нагрузке, примерно в три раза превышает указанное вами, поэтому вам следует проверить свои цифры. Вы должны смотреть на модуль разрыва (также известный как прочность на изгиб), который составляет ~ 400 для самого прочного известняка, 10 000 для сосны, 28 500 фунтов на квадратный дюйм для алюминиевого сплава и 65 000 для бронзы. Огромная разница. Ваша другая большая проблема — усталостное разрушение, что является большой проблемой для камня.
@John Нет, природный известняк имеет модуль разрыва около 3000 фунтов на квадратный дюйм, но раковина улитки, которая в основном является действительно чистым и хорошо сформированным известняком, может превышать 8000. Хотя это звучит хуже, чем другие материалы, которые вы перечислили, где маленькие шестерни При этом ваш предел — это меньшее из значений модуля сдвига или модуля разрыва, потому что деформация сдвига заставит их заклинить, даже если они не сломаются. Поскольку модуль сдвига сосны составляет всего 900 фунтов на квадратный дюйм, она столкнется с проблемами при использовании в высокоточных зубчатых передачах до известняка. Вот почему он использовался только в больших мельничных шестернях.
Кроме того, большинство доиндустриальных изобретений, в которых фактически использовались металлические шестерни, в любом случае были работами с низким уровнем стресса. Если ваши часы, одометр или шпулька показывают более чем пару фунтов на квадратный дюйм на своих шестернях, вы делаете что-то очень неправильное.
Раковина улитки сильно отличается от природного известняка, раковина улитки представляет собой композит с белком, а в более прочных - металлическими элементами. И мне любопытно, было ли у вас 3000 фунтов на квадратный дюйм. Если вас интересуют только маленькие шестеренки, то зачем сравнивать с сосной, с бронзой, из которой они в основном делались. Кроме того, даже если вы правы в том, что меньшая из двух сил является точкой отказа, 30 ГПа составляет ~ 4 000 000 фунтов на квадратный дюйм, поэтому модули разрыва на несколько порядков меньше, поэтому, по вашему мнению, модуль сдвига по-прежнему не имеет значения.
Разве известняк не слишком мягкий, что делает его менее подходящим для шестерен, так как они быстро изнашиваются?
@Nosajimiki, нет. Известняк, как правило, чрезвычайно мягкий (что делает его таким легким в работе) и серьезно увеличивает износ получаемых шестерен, а это означает, что их нужно заменять гораздо чаще, чем при использовании более прочного материала.
Я тоже нахожу цифры, которые вы привели, удивительными, но давайте предположим, что они верны. Но вы упустили один фактор, который, как мне кажется, имел бы огромное значение для известняка: стойкость к истиранию . Дерево на дереве на самом деле довольно хорошо в этом отношении, так же как и пластик на пластике, и специализированная керамика превосходит другие. Но даже твердый известняк печально известен тем, что оставляет белые следы на всем, о что вы им трете, так что наверняка две шестерни, сделанные из известняка, быстро сотрут друг друга в порошок при движении под любой нетривиальной нагрузкой? – Не знаю, насколько смазка поможет в этом.
@leftaroundabout Итак, поскольку магия доступна, просто покройте их чем-то твердым, например, гранитом, или чем-то мягким, например, мыльным камнем.
@leftaroundabout Я считаю, что это потому, что, как указал Архелай, существует много видов известняка. Некоторые виды - полная ерунда, некоторые - очень жесткие. Хотя, чем больше я об этом думаю, тем больше я думаю, что важным фактором является то, что обработка камня позволяет добиться большего, чем материальные свойства самого известняка. Я пересмотрел свой ответ больше с учетом этого.

Говоря с точки зрения скульптуры: при работе с камнем нужно много думать о том, как получить форму, не растрескивая камень. Многие камни имеют скрытые трещины. Несовершенства и включения других материалов неожиданно ослабляют камень. У многих камней есть волокна, по которым они легче ломаются. Таким образом, когда вы смотрите на старую скульптуру, очень мало неподдерживаемых частей. У ног есть другие вещи, такие как стволы деревьев, маленькие дети, фавны и т. д. рядом с ними, чтобы дать больше поддержки. Руки держат близко к телу, чтобы они не сломались. Древнегреческая и римская скульптура имела руки, сделанные из отдельных блоков и соединенных внутренними стержнями или каким-либо другим обручем. Другие торчащие мужские части также были сделаны из отдельных блоков и прикреплены.

Короче говоря, зубчатая передача, у которой торчат все точки, не годится для камня. Велика вероятность, что точки обломятся.

Вот почему скульпторы так любят каррарский мрамор. Имеет большие площади почти однородного состава. Чисто белый без изъянов, затрудняющих лепку.
Тем не менее, в карьерах по добыче каррарского мрамора много отколотых блоков. Просто посмотрите на фотографии из карьеров, чтобы увидеть прожилки из других материалов, которых следует избегать, и т. д.

Используйте ремни и шкивы.

шкив

https://studentlesson.com/belt-pulley-definiton-functions-types-parts-working/

На фото: металлические шкивы. Камень подойдет для этой цели. Каменный шкив будет испытывать только сжимающие усилия от ремня. Порванные ремни легко заменить. Легко увеличить липкость каменного колеса с ремнем с помощью повязок на ремень.

Но: я не смог найти жернова с приводом от шкива! Либо у зубчатых передач есть какое-то серьезное преимущество, либо у шкивов и ремней недостаток, либо мой гугл-фу меня подводит.

С шестернями вы можете увеличить крутящий момент до того, как он начнет проскальзывать. Это может быть преимуществом при строительстве мельницы, где жернов должен прилагать большую силу, чтобы размолоть как можно больше зерна за один раз.
шкив по-прежнему испытывает натяжение и усилие, а также чем тяжелее ваши колеса, тем менее эффективными становятся шкивы с ременным приводом. вы не найдете мельницу с ременным приводом, потому что ремни не могут передавать высокий крутящий момент, потому что они могут передавать мощность только на уровне статического трения, обычно намного меньше.
@Robyn На традиционной мельнице жернова на самом деле не соприкасаются; зазор между ними контролирует крупность муки. Крутящий момент, прилагаемый к камням, является лишь одним из ряда ограничивающих факторов. (Если они коснутся больших кусков дерева, они начнут ломаться).
Даже если на шкивы действуют меньшие силы растяжения, чем на шестерни, ось, на которой был установлен шкив, все равно будет подвержена всевозможным поломкам из-за сдвига и должна быть изготовлена ​​из более подходящего материала. И в этот момент вы могли бы также сделать сам шкив из этого материала.
Вероятно, вам трудно найти исторические примеры, потому что вы ищете слово «ременной привод». Их использовали в древнем Вавилоне, Ассирии и Китае для разных целей. Они также изображены на некоторых рисунках Леонардо да Винчи; так что европейцы знали о них... просто они не были предпочтительным механизмом. Однако большая проблема, с которой вы столкнетесь, — это растяжка. Приводные ремни обычно содержат цепь или проволоку, чтобы они не растягивались и не теряли трения с колесами; так что отсутствие металла может быть проблемой здесь.
У нас здесь, в Миннеаполисе, есть Музей Милл-Сити, и это БЕЗУМНОЕ количество ремней, которыми они приводили все в этом месте. Одно водяное колесо (самое старое деревянное) приводило в движение сотни ремней, приводивших в действие все на заводе. Затем у каждого отдельного завода было другое колесо.

Использование каменных шестерен было бы проблематичным.

Первая проблема — износ. Камень легко стирается. Вторая проблема заключается в том, что камень силен на сжатие, но слаб на растяжение и изгиб. Зубья шестерен испытывают большие изгибающие напряжения. Зубья шестерни, скорее всего, выйдут из строя очень легко и очень рано.

Некоторые камни, такие как гранит (или более или менее чистый кварц), очень твердые, что должно значительно уменьшить износ.

В дополнение к статической слабости камня при растяжении у вас также есть проблема распространения трещин . Повторяющиеся удары со временем приведут к образованию и росту трещин.

Прочность на растяжение:

  • Силикагель: от 4000 МПа до 7000 МПа

  • Полиэтилен высокой плотности: ~30 МПа

  • PA-11 Нейлон: ~50 МПа

  • PA-6 Нейлон (волокно): ~600 МПа

  • Алюминиевый сплав 2014-T6: ~450 МПа

  • Нержавеющая сталь SAE 304: ~600 МПа

  • Титановый сплав Ti-6Al-4V: ~900 МПа

Обычно мы редко можем сделать стекло настолько прочным, потому что любые небольшие трещины и дефекты в нем будут расти под нагрузкой, пока оно не треснет или не разобьется. Совершенный до атома совершенный оконный стеклянный элемент практически не поддается воздействию объемных сил до тех пор, пока его не поцарапают, и только тогда он становится таким же хрупким, как обычное стекло.

Но «учитывая возможность придавать любому камню произвольно точные и сложные формы»? Песок — это просто множество маленьких кусочков камня, и большинство из них — кремнезем. Вы можете сделать упакованный материал, похожий на хлопок , из сверхтонких стеклянных волокон, или цельную плиту, или решетку, подобную металлической пене , а затем вы можете заполнить ее чем-то мягким, например мыльным камнем, и покрыть чем-то твердым, как гранит, чтобы Держите его от царапин.

Забудьте о шестеренках: вы можете превратить пляж в единую массивную аркологию из стекловолокна , простирающуюся до самого края неба.

введите описание изображения здесьвведите описание изображения здесь

Большие размеры: https://i.stack.imgur.com/zIumZ.png , https://i.stack.imgur.com/yTUT5.jpg

Источник искусства: https://www.artstation.com/artwork/g2QNG

Это может представлять дополнительный интерес, когда дело доходит до создания материала — в данном случае бетона, а не стекловолокна: «Давно известно, что вулканический песок, используемый в римском бетоне и растворе, продлил срок службы их зданий. Теперь новое исследование, проведенное группа инженеров и инженеров-исследователей открыла точный рецепт, благодаря которому римский бетон прослужил намного дольше, чем бетон, используемый сегодня». см. Ancient-origins.net/news-history-archaeology/…

если бы они были из камня, то зубья шестеренки бы быстро обломались

Постоянное трение будет стачивать зубья до тех пор, пока они не станут слишком маленькими, чтобы поместиться в шестернях.

Удивлен, что кто-то проголосовал за это, я думал, что проблемы с ответом очевидны, но, похоже, это не так. Металлы также подвержены трению и износу, и для решения этой проблемы мы используем смазку, и те же решения применимы и к камню. Так как кто-то действительно должен прочитать о зубчатых колесах и о том, почему у них есть специальные профили зубьев (для качения контактных поверхностей, в идеальных случаях они не скользят друг относительно друга) и т. д. и т. д. Это такой не ответ. Нельзя сказать, что у камня нет проблем, но op handwavium слишком силен, чтобы быть большим препятствием.
@MolbOrg Основная проблема с металлическими шестернями - это тепло и расширение , которое вызывает тепло. И если вы не верите мне в том, что камень шлифуется трением, просто посмотрите на зубы в скелетах первых земледельцев; они все перемолоты песком в каменной пшенице.
Подойдут ли шестерни из камня?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v