轮是绕轴线转动的圆形部件,通常装在轮轴上或与之一同转动。用轮子滚动运送重物,而不是在地上拖拽,重物与地面之间的滑动摩擦就被小得多的滚动阻力和轴上的摩擦所取代,搬运重物因此省力得多。轮也用于机械中,用来传递和转换运动,陶轮、水车、齿轮、滑轮和涡轮等装置都离不开它。轮大约出现于公元前4千纪,通常被视为人类历史上最重要的技术之一。
起源
木轮容易腐朽,因此最早的轮出现于何时何地已无从确知。考古学家只能依靠留存下来的轮子实物、模型和图像来推断。一般认为陶轮比车轮出现得更早。有学者认为,早在公元前4千纪,美索不达米亚的早期陶工就已使用转盘,那时轮还没有用于运输。
年代最确切的早期带轮车辆图像之一见于布罗诺西采陶罐。这件陶罐出土于波兰南部一处漏斗颈陶文化聚落,上面的带轮车辆图案绘制于公元前3500年至前3350年之间。这表明早在公元前4千纪晚期,中欧就已经出现了四轮货车。这些车可能由原牛牵引,与陶罐一同出土的就有原牛遗骸。大约同一时期,美索不达米亚、北高加索和东欧大草原也出现了带轮车辆。由于证据分布如此广泛,学界至今仍在争论:轮究竟是在一地发明后传播开来,还是在多地分别发明的。
迄今发现的最古老的轮是卢布尔雅那沼泽木轮。2002年3月29日,考古学家在斯洛文尼亚卢布尔雅那附近发现了它。这个轮直径70厘米,由白蜡木和橡木制成。安装轮轴的孔是方形的,轴长120厘米,说明轮与轴是一同转动的。放射性碳测年显示,在两个标准差范围内,轮的年代为公元前3340年至前3030年,轴为公元前3360年至前3045年。
实心轮与辐条轮
最早的车轮是实心圆盘。这类轮大多由两三块木板用横木拼合而成,而不是从树干上直接截下一段圆木。实心轮结实,但又重又慢,适合牛拉的两轮车和四轮车。
辐条轮是一项重大进步。辐条轮最早的实物证据发现于辛塔什塔文化,年代约为公元前2000年。在乌拉尔山南部的这些青铜时代墓葬中,留有能看出辐条的车轮印痕。有了辐条轮,人们就能造出轻便快速的马拉车辆,战车很快成为整个欧亚大陆的重要军事技术。不过,辛塔什塔的车辆是否算得上真正的战车,学界仍有分歧,一些学者认为它们应归为普通的车。公元前2千纪,古埃及、安纳托利亚、古希腊和商代中国都出现了战车。
后来的改进包括铁制轮箍、带独立轴承的轮毂,以及由弧形轮辋块拼成的车轮。凯尔特战车(公元前800—前450年)是已知最早在车轮外圈加装铁箍的实例。罗马帝国的铺装道路和规格统一的车辆,为大规模的陆路贸易提供了支撑。在中国,汉朝时已有独轮车的记载,它让一个人就能在狭窄的小路上运送重物。
没有轮式运输的地区
轮并没有传遍世界各地。中美洲的人们懂得轮的原理,却没有用它来运货。考古学家在韦拉克鲁斯、米却肯、格雷罗和萨尔瓦多一带发现了约100件带轮小雕像。这些玩具大多做成动物形状,以狗和美洲豹居多,轮轴穿过腿部的环孔,两端各装一个轮子。常见的解释包括:当地缺少大型役畜,地形崎岖,也没有适合车辆通行的道路。此外,从古代晚期起,中东和北非部分地区也不再使用轮式运输,因为在那里骆驼商队比车辆更便宜。
力学原理
在经典力学中,轮轴是经典的简单机械之一。在大轮边缘施加的力,会在小轴上产生更大的转动力(力矩),反之亦然。其机械利益等于两者半径之比。绞盘、绞车、方向盘和螺丝刀都利用了这一原理。
滚动的轮子主要受到两种阻力:
- 滚动阻力:来自轮子和路面在负载下发生的形变。
- 轴承摩擦:产生于轮轴处。
润滑能大大减小轴承摩擦,滚动轴承也有同样的效果,其现代形式发展于18至19世纪。转动的轮子还会储存动能量,储存多少取决于其质量绕轴的分布情况(即转动惯量)。飞轮正是利用这一特性来平稳不均匀的动力输出。
动力与工业中的轮
轮也被用来驱动机器。大约公元前3世纪,希腊化世界已有关于水车的记载,此后水车传遍欧亚大陆。许多个世纪里,它一直为磨坊提供动力,用来磨谷物、鼓动风箱和驱动杵锤。从安提基特拉机械到机械钟,齿轮在各种机械中传递动力,并控制转速和转向。
工业革命时期,飞轮、滑轮和齿轮系把蒸汽机与工厂机器连接起来。铁路采用带轮缘的铁轮在铁轨上行驶,进一步降低了滚动阻力。涡轮是水车的现代后裔,如今大多数发电机都由它驱动。火车和许多道路车辆的车轮则由电动机带动。
现代车轮与轮胎
19世纪,车轮变得更轻,行驶也更平稳。1870年代,自行车上出现了靠张力支撑的钢丝辐条轮。充气轮胎由罗伯特·威廉·汤姆森于1847年取得专利。1888年,另一位苏格兰人约翰·博伊德·邓禄普在贝尔法斯特的梅街制造出第一批量产轮胎。充气轮胎能吸收冲击,抓地力也更强,先是成为自行车的标准配置,后来又普及到汽车上。
如今,道路车辆使用冲压钢轮或合金轮,配以无内胎子午线轮胎。铁路车轮仍是实心钢轮。飞机起落架、行星探测车和许多机器人也装有专门设计的轮子。除了用于交通和机械,轮长期以来还是一种象征,例如佛教的法轮、中世纪的命运之轮,以及旗帜和纹章上的轮形图案。
参考来源
- Wheel and axleen.wikipedia.org
- Bronocice poten.wikipedia.org
- Oldest wheelguinnessworldrecords.com
- Ljubljana Marshes Wheelen.wikipedia.org
- Spokeen.wikipedia.org
- Charioten.wikipedia.org
- Who Invented the Wheel - A Brief History - Bricsys Blogbricscad.octave.com
- When Was the Wheel Invented? New Archeological Evidence Changes Everythingperformanceplustire.com