Ältere Transportgeräte

Die ersten Transportgeräte, mit denen man Lasten zu Lande befördern konnte, ohne sie zu tragen, waren Schlitten und Stangenschleifen. Bei der Schleife ist allerdings ein Teil der Last und des Konstruktionsgewichtes zu tragen, sie hatte als Vorteil gegenüber anderen Transportmitteln eine gute Geländegängigkeit. Bei der Benutzung von Schlitten und Stangenschleifen war in der Regel ein hoher Gleitwiderstand zu überwinden. Ein Transport auf Rollen bzw. Walzen war nur auf gut vorbereitetem Untergrund und kurzen Strecken möglich. Nachgewiesen ist rollender Transport aus dem bronzezeitlichen Ägypten. Nachteilig war, dass die Rollen über die gesamte Strecke ausgelegt oder immer wieder hinten weggenommen und vorn wieder vor den zu befördernden Gegenstand gelegt werden mussten. Aber man konnte vergleichsweise hohe Lasten verlagern, da diese sich auf eine größere Fläche verteilen, als sie in den Gleitlagern des späteren Rades vorliegt. Der Walzentransport wird auch heute noch für spezielle Zwecke wie die Verlagerung von Gebäuden oder Extremlasten über kurze Strecken eingesetzt.

Älteste Nachweise des Rades

Das drehbar befestigte Rad, also „unendlich“ drehbar um eine Achse, konnte mit Steinwerkzeugen angefertigt werden. Als Erste wendeten anscheinend im 5. Jahrtausend v. Chr. Töpfer am Indus dieses Prinzip bei der Keramikherstellung als Töpferscheiben an.

Die ältesten Hinweise für die Nutzung des Rades zum Transport finden sich in Form von Miniaturrädern aus Ton nördlich des Schwarzen Meeres bereits vor 4000 v. Chr. Die Hinweise verdichten sich ab Mitte des 4. Jahrtausends über ganz Europa in Form von Wagenmodellen. Als Beispiel für einen mittelbaren Hinweis auf Wagenräder gilt eine Ritzzeichnung auf der sog. Vase aus Broncice, einem Gefäß der Trichterbecherkultur, das in der Nähe von Pinczów (Polen) gefunden wurde und nach aktuellem Wissensstand die älteste Darstellung eines Wagenrads ist. Als weiterer indirekter Nachweis gilt eine Fahrspur aus der Mitte des 4. Jahrtausends v. Chr. in einem Hünenbett bei Flintbek (Kreis Rendsburg-Eckernförde).

Erste unmittelbare Funde von Karren, Rädern, Wagen oder deren Modellen gibt es aus der zweiten Hälfte des 4. Jahrtausends v. Chr. in Europa, z. B. im Rahmen der Trichterbecherkultur sowie der Badener Kultur, im Alpenvorland, im nordwestlichen Kaukasus (Maikop-Kultur), sowie in Mesopotamien und Vorderasien. Dabei handelte es sich um ein- oder mehrteilige Scheibenräder mit Durchmessern zwischen 40 und 80 cm, mit fester, loser oder ohne Nabenbuchse oder fester Achse (und quadratischen Achslöchern). Die ältesten Funde waren überwiegend zweiachsige Fahrzeuge. Die Funde stammen entweder aus Beisetzungen in Wagengräbern oder sind Moorfunde.

Die älteste gut datierte Rad-Achsen-Kombination stammt von Stare Gmajne im Laibacher Moor bei Ljubljana in Slowenien, dessen Rad in die Jahre 3340–3030 cal BC, die Achse auf 3360–3045 cal BC datiert wurden. Ein wenig jüngeres Rad wurde im Federseemoor in Seekirch-Achwiesen gefunden. Es ist rund 5000 Jahre alt und aus zwei Teilen zusammengefügt.

Die Reste zweier Wagen wurden in Ost-Georgien unter einem Grabhügel in Ananauri (Region Kachetien) ausgegraben und auf ca. 2400 ± 150 v. Chr. datiert. Wahrscheinlich gehört dieser Kurgan einem Anführer aus der letzten Phase der Kura-Araxes-Kultur an, die deutliche Verbindungen zur Maikop-Kultur hat. Genauere Untersuchungen stehen noch aus. Im Grab befanden sich neben Obsidian und Flintstein auch Bernsteinperlen. Dies stützt die These, dass der Wagen lange vor dem Pferd aus dem nördlichen Raum kam und mit der Verbreitung der Kura-Araxes-Kultur den Weg nach Süden nahm.

Das älteste vollständige Rad in Großbritannien entdeckten Archäologen in Must Farm, einem bronzezeitlichen Fundplatz in der Nähe von Peterborough, ein zwischen 1100 und 800 v. Chr. datiertes Rad der Späten Bronzezeit.

Die Datierungen der Fundorte erlauben derzeit keine Entscheidung über einen Ursprungsort der Rad- und Wagen-Technik, sondern legen eine schrittweise Entwicklung nahe.

Nutzungsspuren

Eines der vier Scheibenräder von Glum aus der Bronzezeit wies eine Scheuerfurche auf, die nicht auf dem gesamten Drehkreis eingearbeitet war. Sie wurde vom Wagenkasten verursacht, der das schief laufende („eiernde“) Rad abnutzte. Eine kürzere Furche auf der anderen Seite zeigt, dass man das Rad auch gedreht aufgesteckt hat. Der Rand der Lauffläche wurde abgeschrägt oder abgerundet. Einige Teilflächen waren so gut erhalten, dass glättende Hiebe eines Werkzeugs erkennbar sind. Das aus Erlenholz erstellte Rad gehörte zu einem Wagen, dessen Vorderachse nicht schwenken konnte. Beim Ändern der Fahrtrichtung schleiften die Zugtiere den Vorderwagen zur Seite, bis die Deichsel in die gewünschte Richtung zeigte. In den Buchslöchern der Räder steckten aus Birkenholz gefertigte Buchsen, die durch ihr (weiches) Material anzeigen, dass der Wagen nicht für längeren Gebrauch bestimmt war. Querkräfte (zum Beispiel bei Richtungswechsel) verursachten eine trichterförmige Aufweitung der Enden. Aus anderem Fundmaterial ist zu erschließen, dass die Räder von abgestellten Wagen abgenommen wurden, um die Elastizität der Achsen aus Holz zu erhalten.

Weiterentwicklungen

Schon in der Steinzeit begann man, das hohe Gewicht der Scheibenräder durch Auskehlungen zu vermindern. Ob die mit symbolträchtigen Mustern ausgekehlten Räder allerdings für den Lastentransport geeignet waren, ist zweifelhaft. Eine metallzeitliche Erfindung war die Speiche, die um 2000 v. Chr. im Orient eingeführt wurde. Mit dem stabilen und leichten Speichenrad baute man so genannte Streitwagen, also zweirädrige Fahrzeuge, die eigentlich Karren heißen müssten. Da Zweirädrigkeit eine gute Methode war, das Gewicht zu vermindern, wurden später auch anspruchsvollere Einachser gebaut. Hatten die ersten Speichenräder bronzene Speichen, so baute man im weiteren Verlauf der Bronzezeit und 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. Jahrhundert 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 sie heute vor allem beim Fahrrad üblich sind.

Das Rad in der Neuen Welt

In Mesoamerika 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 Lasten zuließen, so für das Räderwerk zur Darstellung ihres Kalenders und für Spielzeug (Beispiel im Ethnologischen Museum Berlin). Schon in präkolumbischer Zeit benutzten sie Räder, sogar Zahnräder, in mehr oder weniger feinmechanischen Geräten. Gebrauchsfähige Wagen sind aber in den altamerikanischen Kulturen bislang nicht nachgewiesen. Dies beruht höchstwahrscheinlich auf dem Mangel an geeigneten Zugtieren (Pferde, Ochsen, Esel).

Räder für Fahrzeuge

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 zehn Meter zu schleifen bzw. zu fahren, ist jeweils die folgende Arbeit (entsprechend Kraft mal Weg) zu leisten: Die jeweilig auftretende Reibkraft ergibt sich aus der Normalkraft (entsprechend der Masse mal der Erdbeschleunigung) multipliziert mit dem Reibbeiwert. Der Reibbeiwert für eine Kombination von Stahl auf rauer Oberfläche beträgt 0,5, der für Stahl auf Stahl (glatt) 0,1. Beim Schleifen wirkt die Reibungskraft am rauen Boden die ganze Zehn-Meter-Strecke weit, somit ergibt sich die Arbeit W_s zu

${\displaystyle W_{\mathrm {s} }=100\,\mathrm {kg} \cdot 9{,}81{\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {kg} }}\cdot 0{,}5\cdot 10\,\mathrm {m} =4905\,\mathrm {J} }$

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 W_f zu

${\displaystyle W_{\mathrm {f} }=100\,\mathrm {kg} \cdot 9{,}81{\frac {\mathrm {N} }{\mathrm {kg} }}\cdot 0{,}1\cdot {\frac {50\,\mathrm {mm} }{1000\,\mathrm {mm} }}\cdot 10\,\mathrm {m} =49{,}05\,\mathrm {J} }$

(zur Dimensionsbetrachtung: ein Newtonmeter ist äquivalent zu einem 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 W_f 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 dadurch zu einem stabilen Geradeauslauf verhilft.

Beispiele dafür:

• freihändiges Radfahren
• Würden die Räder „eiern“, würden wir im Fahrzeug ziemlich durcheinander geschüttelt.

Fahrzeuge mit dem Suffix bzw. Präfix „rad“

Der Begriff Rad wurde zur Namensgebung für Fahrzeuge herangezogen, wie bei

• Einrad
• Dreirad
• Fahrrad (Zweirad, Niederrad) und seine Vorgänger Hochrad und Laufrad
• Rhönrad (technisch gesehen eine Rolle, es fehlt die Achse)
• Motorrad
• Radlbock – eine einrädrige, hölzerne, 150–200 cm lange Schubkarre, deren zwei leicht nach unten durchgebogene, quer verstrebte Längsholme die tiefliegende Ladefläche bilden. Die Holme dienen hinten als Griffe und lagern vorne die Achse des Holzspeichenrads mit axial langer Holznabe und Eisenreifen. Zwei Abstellstützen etwas vor den Griffenden können als Eisenbügel (gerundetes V) ausgeführt sein. Einen vorderen Anschlag für das Ladegut und damit Schutz vor dem Rad bilden zwei ebenfalls quer verstrebte, leicht nach vorne geneigte Steher, die sich mit Eisenstäben nahe der Radlager abstützen. Zum Transport von voluminösem Gut wie Heu, einem Hackstock, einer Mörteltruhe oder einem Möbelstück.
• Raddampfer
• Radlader
• Radpanzer

Das Rad in Arbeitsmaschinen

Zur Abgabe von Kräften an zu bearbeitende Materialien und Medien (Flüssigkeiten, Dämpfe, Gase) werden die Radteile mannigfaltig abgeändert und ergänzt, so als:

• Töpferscheibe mit Fußantriebsrad zur Verformung des Tons
• Schöpfrad zum Anheben des Wasserspiegels bzw. zur Bewässerung in seiner frühesten Form z. B. als Rad mit Zapfen, an denen Tonkrüge angebunden wurden
• Wasserrad, welches durch Wasserkraft mit Hilfe von Schaufeln oder Zellen in Rotation versetzt wird, um Wassermühlen aller Art anzutreiben oder auch Ölmühlen, Walkmühlen, Sägemühlen, Hammerwerke und Schleifmühlen
• riemenradgetriebene Drechsel- bzw. Drehbank oder Bohrmaschine, später mit E-Motor über Getriebe angetrieben
• Schaufelrad bei Dampfern, d. h. als Doppelrad mit Schaufeln/Paddeln an den Radkränzen
• Laufrad von Gebläsen, Kreiselpumpen oder Radialverdichtern, d. h. ursprünglich als Rad mit gekrümmten Schaufeln auf der Radscheibe, mit oder ohne Laufkranz
• Laufrad von Axialverdichtern, deren auf Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen
• Propeller zum Vortrieb oder Rühren – sind rudimentäre, hochspezialisierte Ausführungen des Rades
• Antriebsräder für die endlosen Seile von Seil- und Gondelbahnen, von Sessel- und Skiliften
• Zentrifugen zur Trennung von Substanzen sind auf einer vertikalen Achse rotierende Räder.

Das Rad zur Drehmomenterzeugung in Kraftmaschinen

Zur Krafterzeugung und -abgabe durch Menschen, Tiere und Medien wie beim

• einfachsten, dem Steuerrad, dem Lenkrad
• Tretrad der Tretmühle hauptsächlich für Verlade- und Baukräne
• Schöpfrad als Doppelrad mit Trögen zwischen den Radkränzen
• Windrad z. B. im Mittelmeerraum als Speichenrad mit Dreieckssegeln an den Speichen und einem Seil quasi als Radkranz (eindrucksvoll auf alten Fotos vom Tal der Windmühlen auf Kreta)
• langsam laufenden Windrad als Rad, dessen Speichen als Flügelprofil ausgebildet sind und der Radkranz als stabilisierendes Element gegen Schwingungen weiter innen im Flügel angebracht wird: z. B. zum Wasserpumpen auf Mallorca, in der Ebene östlich von Palma, oder auf den weitläufigen Viehweiden im Mittleren Westen Amerikas
• Laufrad von Dampf- und Gasturbinen, dessen auf der Naben sitzende Schaufeln aus flügelprofilierten Speichen mit oder ohne Radkranz bestehen
• Leit- und Laufrad einer Strömungsmaschine.

Funktion als Energiespeicher

Als Energiespeicher (Schwungrad, Rotationsenergiespeicher) wird das Rad entsprechend der aufzunehmenden Energie mit genügend großer Masse ausgeführt. Es wird bei Maschinen, welche hin- und hergehende Bewegungen in rotierende Bewegungen umwandeln, verwendet, um Drehmomentschwankungen auszugleichen. Schwungräder verhindern, dass solche Maschinen auf Grund eines Totpunktes oder zeitweise fehlender Antriebskraft zum Stillstand kommen.

Anwendungen:

• Schwungrad an fußbetriebenen Antrieben wie zum Beispiel bei Töpferscheibe, Spinnrad oder Nähmaschine
• Schwungrad an Dampfmaschinen oder Verbrennungsmotoren
• Energiespeicher für Antriebsenergie von Fahrzeugen, wie zum Beispiel beim Gyrobus, Friktionsmotor von Spielzeug, mechanische KERS bei Rennwagen