轮子：一台复杂的简单机器

基本发明的历史和不断发展的设计

在北美，2月14日最著名的是情人节。它还标志着摩天轮日，庆祝发明家的生日。小乔治·弗里斯（George Ferris Jr）为1893年芝加哥世界哥伦比亚博览会创建了同名命名的轮子。这是一个250英尺高的结构，配备了36辆汽车，每辆车都能携带40人，以与埃菲尔铁塔相抗衡。这是一个工程奇迹。今天，摩天轮和车轮一般都是平凡的。带有轴的轮子是工程学的六台经典简单机器之一。然而，基本的轮子也是一个奇迹，在冶金和铜牌之后发明。在动物的驯化和农业建立之后，它看起来很好。与其他简单的机器不同，早期人类的自然界没有轮轴和轴。 The idea of the wheel as a primitive technology is incorrect: they’re a human invention that didn’t appear until around 5,000 years ago. Their utility, so obvious to us now, developed slowly, and new uses are still evolving today.

在制造业中，工业革命监督了金属轨道上的定期创建和使用工业车轮。标准化的大规模生产和铸铁和钢轮的使用不到200年。尽管它很常见，但车轮仍在调整和改进。

什么是简单的机器？

简单的机器提供了使工作更轻松的机械优势。在物理学中的工作是一支力作用在物体上的时候，导致位移。简单的机器使用机械​​优势或杠杆来使工作更轻松。这通常意味着简单的机器会在更大的距离内使用较少的力来完成相同数量的工作。

例如，将保龄球抬到空中需要一定数量的工作。将其提起所需的工作量与将其向上推到相同高度（假设摩擦微不足道）一样。但是，提起物体比将其滑到坡道上的力更多。坡道的坡度越逐渐，到达一英尺的高度必须越长。将物体向上滑动所需的力随着斜率减小而减小，即使必须在更长的时间内施加力。

简单机器的有效性是通过其理想的机械优势或IMA在无摩擦系统中衡量的。

六种简单的机器

简单的机器有六种类型：倾斜平面，楔子，螺钉，杠杆，皮带轮以及车轮和车轴。

简单的机器
理想（无摩擦）机械优势
描述

斜面

平面长度 /平面高度

尽管可能需要更长的时间，但比陡峭的分级路线要比陡峭的坡度路线更容易。工作是相同的，但是所需的力量减少了。倾斜的飞机无处不在，以至于古代世界并未将其归类为简单的机器。

楔

穿透深度 /分离距离

斧头是经典的楔子，有两架倾斜的平面背对背。楔子的力驱动到材料中并将其分开。楔形物是最早的原始工具之一，它在石轴，刀叶片和箭头头中发现。

杠杆

输入距离 /输出距离

杠杆使用梁和枢轴点来创造机械优势。当梁穿过枢轴时，靠近枢轴的东西比远离距离的距离要小。远处移动更远，因此具有更大的加速度。力是质量时间加速度：更大的加速度增加力。杠杆首先被描述为公元前3世纪的简单机器。

拧紧

2π直径螺杆 /穿透深度

螺钉本质上是一个扭曲的倾斜平面，可以提起物体或将它们绑定在一起。螺钉的机械优势来自倾斜平面的旋转，可以用杠杆的力放大。

滑轮

支撑绳循环的总数

皮带轮是一组绳索和圆形，可以帮助抬起物体的工作。绳索的每个长度都占物体质量的一小部分。由于绳索必须穿过所有皮带轮，因此必须拉出绳索的距离以增加物体的增加。需要的力减少。

轮轴

车轮半径 /轴半径

车轮是圆盘，半径较大，固定在半径较小的轴上。当车轮和车轴一起旋转时，指向车轮边缘的指向比车轴边缘上的点更大的距离。将车轮边缘的力放大，以完成沿着轴拉负荷的工作。相反，将沿车轴的小旋转放大，以覆盖轮边缘周围的更多距离。

车轮的发现

在史前历史上使用了楔形，杠杆和倾斜的平面，但是在古铜色时代，直到公元前3500年才在考古记录中发现车轮和轴。尽管车轮与现代时代的运输有关，但这并不是他们的第一个或最常见的用途。美索不达米亚的陶工首先将手轮用作旋转平台来卷曲粘土和其他容器。在中美洲，第一个轮子是在小雕像上，放在腿的末端，像今天的玩具车一样滚动。直到欧洲接触之后，北美考古记录才发现轮式车辆。车轮的绞车，磨坊和制造用途都存在于车轮没有的地方。

第一辆轮式车辆是使用简单的木圈推车，并带有一个孔的孔。车轮本身很重，车轴与它们转动，在系统中产生摩擦。由于这些原因，车轮倾向于出现在有大型驯养动物的地方。这可以解释为什么中美洲文化没有采用方向盘：没有动物可以放在他们的轭上。

在第一个轮子中，车轴和车轮一起旋转。该系统允许绞车，风车或水轮运行，但在购物车上不理想。具有刚性车轮和车轴系统的车辆并不容易在弯道上拉动，因为围绕拐角的弯道平稳地需要外轮比内轮更进一步（并因此更快）。许多带有固定车轮和车轴的手推车也经历了额外的摩擦。移动轴与负载接触的任何点都会摩擦。最后，固定的车轴必须既有足够强大才能承受载荷，却足够细长以适合车轮。

为了产生绕过固定轴的车轮，材料和工具必须前进。金属手工工具的精度是雕刻小车轴以将其螺纹螺纹到车轮的精确度。木材也是周围最丰富，耐用的材料，但它通常是可变的，水分和温度肿胀和收缩。它需要干燥和调味，以确保车轮在有用的时间内运行。总而言之，使用轮子进行运输为我们的祖先提供了几个复杂的问题。

辐条的发明

发明的车轮发明Sintashta公元前2000年的文化允许创建有效的购物车。发出的轮子更轻，使车辆更容易拉动。木制车轮在驾驶时略微压在地面上，提供了一些冲击吸收，而径向在车轮底部辐条转移负载。

正是辐条的发展使第一批战车变得有效。高加索人建立了一种马匹的文化，部分原因是这种技术进步是公元前7世纪的领土和范围在达到峰值。

复合轮，轴承和驱动轮

早期的车轮和现代车轮似乎相似，除了更改材料外，许多小组件都改变了其功能。

复合轮是一项巨大的创新，为木制车轮增添了金属。铁包木轮是防止快速磨损并帮助保护轮免受水分的改进。现在，几乎所有车轮都以某种方式复杂化，无论是在车轮边缘还是钻孔处。

轴和车轮之间的表面（称为轴承）是构造轮子的重要一点，在这项技术的长期开发过程中，已经看到了发明和创新。降低轴承处的摩擦会使车轮更接近其“理想的机械优势”。衬套和滚子或滚球是我们降低摩擦并使车轮和轴更有效的主要方式。

机动车辆的发明使人们广泛回到了第一个轮轴模型：两者再次被固定在一起。和驱动轮，发动机转动车轴，车轴转动车轮。车辆上的固定车轴的返回仅在动力总成，转向和冲击工程方面的大规模开发方面有用。

道路基础设施和车轮

除了内部工程问题外，车轮功能还受路面的影响。包装动物在没有体面的基础设施的情况下运输货物，并可以跨越泥土，沙子，石头或冰。

从公元前600年开始，有证据表明人们开发了早期的铁路样系统来沿着导游的路线拉车。这种基础设施发展导致轮法的发明：嘴唇在车轮边缘，使它们保持在轨道或轨道上。这些早期的轨道或货车通道通常很短并且非常有限，位于经常运输，搬运或制造的路线上。包装动物在许多其他地方都使用，以不间断的地面运输货物。

罗马人以建立更大的道路网络而闻名。然而，在罗马帝国沦陷后，其中许多路线陷入了失修。在公元2世纪后的四百年之后，中东和非洲的标准运输方式成为骆驼，尽管该地区之前已经采用了轮毂车辆。考虑到当地条件，维护不值得。

基础设施与车轮之间的关系是工业革命故事的一部分。

车轮和工业革命

工业革命著名地监督了铁路的发展，从而使重型货物可以通过蒸汽驱动的火车长途运输。这种发展取决于其他几项工程成功，尤其是高质量钢的一致生产。

在1700年代初期，木制轨道是在制造和资源提取应用中拖运商品（例如工厂或伐木）中的司空见惯。当有铸铁可用时，制造商将用铁覆盖木制轨道的边缘，以减少摩擦并提高系统效率。木轮在铁上更快地磨损了，但是每次穿过铁瓶轨道的负载都更容易移动。在铁和导轨上进行铁的实验被证明是不切实际的，因为铁很脆弱：这种布置使一个或另一个更有可能会碎裂和破裂。此外，非常重的负载缓慢地弯曲了轨道，铁包轮则增加了总重量。

高质量钢的生产是铁轨和车轮的游戏规则改变者。随着铸造厂和磨坊在线的到来，生产的钢铁量具有另一个优势：他们是标准化的。铸造厂中的单个图案可以在一小部分时间内制造数百个几乎相同的零件，而惠特赖特则需要制作木轮。1857年第一钢导轨被搁置在英格兰德比。很快，一组钢轨网络，准备用于蒸汽火车的金属轮胎，遍布世界各地。

铸铁和钢轮

金属轨道上的金属车轮会减少车轮和地面之间的摩擦，因此系统的机械优势增加。带有钢轮和轨道的推车可以运输非常重的负载，而不必担心车轮会在重量下变形。

铸铁轮起初是最常用的工业车轮。它们比钢便宜，曾经更容易铸造。在某些应用中，今天仍在使用铸铁。铸铁对疲劳有抵抗力，但很脆。钢具有更大的冲击力，这意味着在移动载荷，不规则轨道或变化条件的情况下，芯片的可能性较小。有时，铸铁的脆性被视为一个优势：铸铁轮的磨损速度比钢轨更快，并且轮子比轨道更易于更换。但是，由于法兰在任何时候都可以断裂，并且不规则的车轮会在轨道上导致不规则的磨损，因此许多具有转移负载或条件的应用都将钢用于两者，而轨道上没有任何问题。

一台复杂的简单机器

车轮可能只有5000年了，但它们是许多复杂的工业机器不可或缺的一部分。陶轮，旋转轮，绞车和齿轮都是基于车轴半径和车轮半径之间的机械优势。

工业革命之后，标准化和批量生产的发展使我们的运输系统成为主要特征。橡胶轮胎对于在复杂的道路网络上的个人运输非常有用。低摩擦和承载轨道和金属轮系统对于重复的路线和大量重量更有效，铸钢使廉价，强，低摩擦轨道系统的发展。

无论是改变轮子的内部结构，能量通过它们，悬架还是转向的方式，车轮的基本概念都保持不变。就像杠杆一样，这是一台简单的机器，它可以在更大距离内做出与较小距离更大的努力相同的工作。然而，这台简单机器的复杂性意味着它无疑将继续是人类创新的核心。