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Eine kreisrunde Scheibe mit einem Loch (Bohrung) im Zentrum ist die einfachste Ausführung eines Rades. Doch erst das Aufstecken dieser Scheibe auf einen Stab (Achse) macht daraus ein bewegliches Teil. Hierfür gab es in der Natur kein erkennbares Vorbild. Die Beherrschung der (dauerhaften) Bewegung eines solchen Rades erfordert Kenntnisse und Erfahrungen hinsichtlich Reibung, Schmierung und Paßgenauigkeit der Verbindung zwischen Rad und Achse.
Faustkeil, Hebel und Rollen kann man als Werkzeuge ansehen. Das Rad war das erste Maschinenelement.
In der Bronzezeit konnte das Rad als Einheit von Nabe, Speichen und Radkranz (Felge) weiter entwickelt werden. So konnten Wagen und Töpferscheiben entstehen. Der Name stammt über das lateinische rota aus dem Sanskrit-Wort für den indischen Wagen Ratha.
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Das Rad gilt als eine bahnbrechende Erfindung der Menschheit. Lange galt seine Erfindung in der sumerischen Kultur um 4.000 v. Chr. als gesichert. Heute vermutet man, dass das Transportmittel mit Rädern (der Wagen) an unterschiedlichen Orten Asiens in etwa gleichzeitig erfunden wurde. Die Erfindung war in präkolumbianischer Zeit unbekannt in Amerika und Australien. Nach Ägypten (Afrika) drang sie infolge Kriegserfahrungen mit mesopotamischen Sichelräderwagen.
Die ersten Transportgeräte, auf denen man Lasten ziehen oder schieben konnte, waren Schlitten, Schleifen bzw. Travois. Bei ihrer Benutzung war in der Regel eine hohe Gleitreibung zu überwinden. Der Transport auf Rollen bzw. Walzen wiederum war nur auf gut vorbereiteten kurzen Straßen möglich. Nachgewiesen ist dieser Transport aus dem Ägypten der Pharaonen, aber auch Megalithbauten wie Stonehenge wären ohne diese Transportform kaum zu errichten gewesen. Nachteilig war daran, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder von hinten weggenommen und vorn wieder vor den zu befördernden Gegenstand gelegt werden mussten.
Das drehbar befestigte Rad erleichterte den Lastentransport erheblich und war auch schon mit Steinwerkzeugen herzustellen. Die ?unendliche" Rotation um eine Achse scheint schon einige Jahrhunderte früher erfunden worden zu sein, bevor sie Eingang in die Verkehrstechnik fand. Mesopotamische und ägyptische Töpfer gelten als die Ersten, die Räder als Töpferscheiben bei der Keramikherstellung eingesetzt haben. Erste Funde von Wagen oder Wagendarstellungen gibt es aus der Mitte des 4. Jahrtausends vor Chr., und zwar aus ganz verschiedenen Gegenden: Aus dem Alpenvorland, aus Südpolen (Bronocice), aus dem Nordkaukasus (Majkop-Kultur, heute zu Russland), aus Mesopotamien und aus der Induskultur (Harappa). Auch unter den ältesten Funden sind schon zweiachsige Wagen.
Viele Funde stammen von Beisetzungen in Wagengräbern. Andere sind Moorfunde aus Feuchtgebieten. Bei ihnen wie auch bei der Wagendarstellung in Bronocice fällt auf, dass Wagen im Zusammenhang mit befestigten Wegen (Bohlenwegen) auftraten. Der größte Teil des Wagenverkehrs hat sich aber mit Sicherheit auf unbefestigten Wegen abgespielt, teilweise sogar in der offenen Steppe.
Angesichts der weiten geografischen Streuung alter Rad- und Wagenfunde und ihrer Zufälligkeit wäre es nicht verwunderlich, wenn zukünftig noch mehr ?Ursprungsregionen" als die bisher bekannten fünf entdeckt werden. Der Ursprung von Rad und Wagen wird inzwischen äußerst kontrovers diskutiert. Eine jüngste ?Ursprungstheorie? vermutet eine mitteleuropäische Wagenerfindung[1].
Schon in der Steinzeit begann man, das Gewicht der Scheibenräder durch Auskehlungen zu vermindern. Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die um 2.000 v. Chr. im Orient eingeführt wurde. Mit dem stabilen und leichten Speichenrad baute man so genannte Streitwagen, also zweirädrige Wagen, die eigentlich Karren heißen müssten. Da Zweirädrigkeit eine gute Methode war, das Gewicht zu vermindern, wurde auch später so mancher anspruchsvolle Einachser gebaut, der durchaus kein Karren war. Hatten die ersten Speichenräder bronzene Speichen, so baute man im weiteren Verlauf der Bronzezeit und auch danach überwiegend hölzerne Speichenräder, an denen nur die auf der Achse reibende Innenfläche der Radnabe und die äußere Lauffläche der Felge mit Metall beschlagen war. Metallspeichen wurden erst ab dem 19. Jh. nach Chr. wieder führend, sei es wegen höherer Lasten und Geschwindigkeiten wie im Eisenbahnverkehr, sei es nachdem die Erfindung des Speichensturzes es erlaubte, sehr leichte stabile Räder mit dünnen gespannten Drahtspeichen zu bauen, wie heute vor allem beim Fahrrad üblich.
Die Maya benutzten schon in präkolumbischer Zeit Räder, sogar Zahnräder, in mehr oder weniger feinmechanischen Geräten. Wagen sind aber aus den altamerikanischen Kulturen bisher nicht nachgewiesen.
Das System Rad und Achse wird vor allem für Transportmittel angewandt; zum einen an Fahrzeugen, zum anderen als Kraftumlenkung an Hebezeugen.
(Hinweis: Achsen dienen zum Tragen von Lasten und werden deshalb hauptsächlich auf Biegung beansprucht; Wellen übertragen Drehmomente und werden deshalb hauptsächlich auf Verdrehung (Torsion) beansprucht.)
Werden Räder mit Hilfe von Lagern rotierend auf Achsen ? heute meist nur auf Achszapfen ? eines Fahrzeugs montiert, so wird damit im Vergleich zum Schleifen des zu transportierenden Gegenstandes über eine zurückzulegende Strecke eine wesentliche Verminderung der Reibungskräfte und damit ein Energie sparender Transport von schweren Gütern bzw. eine schnelle Fortbewegung von Gütern und Personen, primär auf relativ ebenen Trassen, erzielt.
Zum Vergleich: Um eine Stahlplatte von 100 kg Masse über eine Strecke von 10 m zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten. Hierbei ergibt sich die jeweilig auftretende Reibkraft aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert. Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauher Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl (glatt) 0,1. Beim Schleifen wirkt die Reibungskraft am rauhen Boden die ganze 10 m Strecke weit, somit ergibt sich die Arbeit Ws zu
Beim Fahren mit Rädern vom Durchmesser 1000 mm und Achsdurchmesser 50 mm reduziert sich der Weg der Stahlnabe, die sich an der Stahlachse reibt, im Verhältnis der Durchmesser und somit ergibt sich die Arbeit Wf zu
(zur Dimensionsbetrachtung: 1 Newtonmeter ist äquivalent zu 1 Joule)
Selbst wenn wir die zusätzliche Arbeit, die auf Grund der Masse des Wagens und des Rollwiderstandes der Räder am Boden zu leisten ist, in der Größenordnung der Arbeit Wf selbst annehmen und addieren, ist die Einsparung an Energie (Arbeit) enorm.
Bei hohen Geschwindigkeiten ist eine weitere Eigenschaft des Rades entscheidend: Der gyroskopische Effekt bewirkt, dass das Rad sich wie ein Kreisel stabil um seine Achse dreht und dem Fahrzeug hierdurch zu einem stabilen Geradeauslauf verhilft.
Beispiele hierzu:
Als Material wurde Jahrtausende lang nur Holz verwendet. Ab der Bronzezeit wurden die Naben mit Lagerhülsen und die Radkränze mit Reifen aus Metall versehen, die entsprechend den Fortschritten der Metallurgie in immer beständigeren Materialien ausgeführt wurden. Erst mit der Erfindung der Dampfmaschine und des Verbrennungsmotors, die höhere Leistungen und Geschwindigkeiten ermöglichten, wurden die Räder vollkommen in Eisen, später aus Stahlblech zusammengeschweißt als Felge ausgeführt. Die geschmierten Nabenhülsen wurden durch Rolllager ersetzt. Räder für geringe Belastungen wurden in Leichtbauweise mit Drahtspeichen versehen.
Die Ausbildung der Räder wurde immer auf die zu befahrende Oberfläche (erst später Wege und Straßen) abgestimmt, bzw. die Oberfläche entsprechend den erhöhten Anforderungen verbessert. So entstanden:
Spezielle Entwicklungen des Rades für andere Transportmittel als Straßenfahrzeuge sind:
Heute werden Hartgummireifen auf Stahlrädern als Stützräder z. B. für Kettenfahrzeuge, für Karusselle, für Seilbahnen und Sessellifte oder bei Industriefahrzeugen wie dem Gabelstapler verwendet.
Kunststoffräder mit oder ohne Metallnabe oder Wälzlager, oft ohne Gummireifen gibt es für fahrbare Tische, Gerüste, Leitern (auch oben), Möbel, Hubwagen für Euro-Paletten und Einkaufswagen (auch mit Stegen zum Verkrallen auf Rollsteigen).
Meist präzise aus Kunststoff gefertigte Räder dienen in der Feinmechanik zur Kraftübertragung etwa auch auf Schalter.
Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei
In Mittelamerika erfanden die Maya das Rad. An Tempeln ist es auf Steinornamenten auch als Speichenrad oder Zahnrad zu sehen. Wie bisher aus Funden belegt, nutzten sie dieses aber nur in Anwendungen, die keine äußeren Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Völkerkundemuseum Berlin).
In China wurden Fahrzeuge mit ovalen Rädern ausgerüstet, um zum Vergnügen der Mitfahrer diese eine Berg- und Talfahrt erleben zu lassen. Eine solche Erlebnisfahrt boten bei uns noch die Jahrmärkte in den zwanziger Jahren des 20. Jhdt., heute bieten uns diese noch manche Karusselle.
Ein weiterer Sonderfall, der zudem nicht der Fortbewegung dient, ist das Riesenrad, ein stationäres "Fahrzeug/Beförderungsmittel".
Um Kräfte an Hanf- oder Drahtseilen angreifend umzulenken, werden Räder, bei diesen Anwendungen oftmals Rollen genannt, stationär auf Achsen installiert. Der Radkranz ist hierbei mit einer umlaufenden Nut versehen, um dem Seil Führung zu geben.
Beispiele sind:
Wird die Nabe des Rades fest auf einer gelagerten Welle installiert ? siehe hierzu Welle-Nabe-Verbindung ?, kann es der Übertragung von Drehmomenten dienen bzw. angetrieben Kräfte entlang eines Weges übertragen. Für diesen Zweck wurden die Bestandteile des Rades zu verschiedensten Formen abgewandelt. Auch kann das Rad als Energiespeicher eingesetzt werden.
Zum Übertragen von Drehmomenten wird der Radkranz entsprechend der Antriebsart gestaltet, so als
Zusammengehörige Reib- und Zahnräder drehen die Drehrichtung um. Bei Riementrieben geschieht dies durch um 180° verdreht Riemen; um 90° gedrehte Riemen ermöglichen eine Drehung der Rotationsebene aus der horizontalen in die vertikale. Durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des angetriebenen Rades im Vergleich zum antreibenden können die Winkelgeschwindigkeiten und entsprechend den Hebelgesetzen die Drehmomente den Bedürfnissen angepasst werden.
Besonders bei Zahnrädern ist die Entwicklung zu verbessertem Kraftschluss und energiesparenden Ausführungen in Abhängigkeit von den zu den jeweiligen Zeiten gegebenen Werkstoffen und Verarbeitungsmöglichkeiten vorangetrieben worden:
Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:
Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim:
Als Energiespeicher (Schwungrad) wird das Rad entsprechend den auszugleichenden Kräften mit genügend großer Masse ausgeführt; vor allem, um bei oszillierenden Kräften die auftretenden Totpunkte oder den kraftlosen Rücktritt zu überwinden, bzw. um genügend Energie für den ausstoßenden und den verdichtenden Hub zur Verfügung zu stellen, so beim
Im Alpenraum steckten die Räder der allerersten Wagen mit viereckigen Achslöchern auf den Enden einer Welle, statt sich auf einer starr mit der Ladefläche verbundenen Achse zu drehen.
Schienenfahrzeuge fahren auf Radsätzen, deren Räder fest durch eine Achse verbunden sind, die aber außer bei den Antriebsrädern von Lokomotiven kein Drehmoment zu übertragen hat. Diese Konstruktion garantiert eine absolute Spurtreue und ermöglicht die Benutzung größerer und robusterer Radlager. Die Lauffläche von Eisenbahnrädern hat deswegen die Form von Kegelstümpfen, deren Radius zur Wagenmitte hin größer ist als zum Wagenrand hin. In Kurven wandert das Schienenfahrzeug zunächst nach außen. Auf der Außenschiene rollen die Räder mit dem inneren Teil ihrer Lauffläche, wo der Radius größer ist, auf der Innenschiene mit dem seitlicheren Teil, wo der Radius kleiner ist. So bewegen sich die Räder eines Eisenbahnwagen bei gleicher Drehzahl rechter wie linker Räder auf der äußeren Schiene schneller als auf der inneren. So gelenkt würden die Wagen bei Geschwindigkeiten unter 40 km/h, nicht zu engen Kurvenradien und nicht zu langen Achsständen auch ohne die Spurkränze ihrer Räder in Kurven auf dem Gleis bleiben. Bei höheren Geschwindigkeiten, engeren Kurven und nicht ganz exakt liegenden Schienen funktioniert dieses Prinzip nicht mehr so ganz, was den Verschleiß von Rädern und Schienen erhöht. Bei sehr hohen Geschwindigkeiten wären die Räder aber auch kaum durch die Spurkränze alleine auf dem Gleis zu halten. So ergänzen sich die Wirkungen der Spurkränze und des Doppelkegelprofils. Auf geraden Strecken bewirkt das Doppelkegelprofil einen Sinuslauf. Die Fahrlinie des Schienenfahrzeuge bildet also von oben betrachtet eine Sinuskurve geringer Amplitude.
John Keogh aus Hawthorn, Victoria (Australien), meldete das Rad 2001 zum Patent an.[2] Er und das australische Patentamt, das ihm das Patent #2001100012 ausstellte, erhielten dafür den Ig-Nobelpreis für Technik 2001.
Wiktionary: Rad ? Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatik
Commons: Räder ? Bilder, Videos und Audiodateien
