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現代的車輪
古代的三輪車
最早期的輪子,是用一大塊圓木製成

是以圓形的物體造成,可以繞著軸心轉動。透過滾動英语Rolling,大為減少磨擦。如果配上,即成為的最主要構成部份。輪在交通運輸中非常有用,是人類的重要發明之一。除了車輪以外,其他圓形的輪還有舵輪英语Ship's wheel飛輪等等。

輪的發明不但是交通運輸的一大突破,更是人類技術的一項重要成就。輪和組合的輪軸是六種簡單機械之一[1]。由輪衍生的現代技術還有螺旋槳噴射引擎、飛輪、陀螺儀渦輪機等。

輪的歷史[编辑]

輪這種工具原來並不存在於大自然動物植物。自然世界內有些動物會滾動,但是沒有動物是在輪子上移動。

據學者的研究,最早出現的車輪在距今6000年前左右在美索不達米亞高加索中歐等地出現,因此目前還無法斷定是哪一個文化最早使用輪子。2002年時斯洛文尼亚的考古學家發現了盧布爾雅那沼澤輪英语Ljubljana Marshes Wooden Wheel距今5,250 ± 100年,是世界上最早的木製車輪[2]

說文解字》:車,輿輪之緫名。在中國,古有黃帝造車(故號軒轅氏)、夏禹時車正奚仲造車之說。目前考古發現的中國最早的車出現於距今約3700年前的夏朝時期,出土於偃師二裡頭遺址,為雙輪車,軌距約1.2米;殷墟發現的商朝時期的車,通常輪徑1.22~1.47米,軌距2.15~2.40米;秦朝車同軌,軌距統一為六尺(約1.386米)。

公元前四世紀時已有兩軸車的圖畫。輪的發明大約是在新石器時代的晚期,至青銅器時代的早期。換句話說,智慧人種出現後有十多萬年是不懂得使用輪子的。最早的車輪以製成,中間鑽一個洞,裝上車軸。橫切樹幹並不能造成好的車輪,因為樹幹的切面缺乏足夠的強度。車輪要以直切的木板裁成圓狀方才耐用。

輻條式車輪是較為新的發明。輻條連接車轂英语Hub(車輪的中心)和車輞英语Rim (wheel)(輪圈),帶輻條的車輪較為輕,車輛亦較易操縱。輻條的發明讓人們可以生產更輕、更快的車輛。在印度河谷及北印度的印度河流域文明中找到有粘土製成的玩具輪,上面有一些線條曾被認為就是輻條[3],在封印用的圖案中也找到一個像是有輻條輪子的圖案[4],這些是在公元前三千年到前二千五百年的產物。目前已知最早的輻條式車輪實體是在安德罗诺沃文化,約在公元前二千年,不久之後,高加索地區一些文化開始使用馬,之後的三個世紀用馬拉馬戰車,其中的輪子都是有輻條的。他們移進了希臘半島,和那裡的地中海人聯合,最後打破了斯巴达雅典主導的米诺斯文明凯尔特人的戰車在輪子外包覆一圈的鐵,大約是在公元前一千年時候的事。輻條式車輪後來的使用沒有太大的變化,一直到1870年代的鋼絲胎及輪胎的出現,才有了新的變化[5]

輪子的發明在技術上相當的重要,像水車齒輪(如安提基特拉机械)、 纺车星盘或是torquetum英语torquetum等。近代輪子衍生的物品有螺旋槳喷气发动机飛輪陀螺儀)及涡轮发动机

機構及機能[编辑]

當一物體受力,要在另一物體表面移動時,輪子可以減少摩擦力,使物體能夠在表面上移動較長的距離。像馬車即為這樣的例子。

輪型戰車,用多輪分散車重

輪加上軸即為輪軸,是簡單機械的一種,這種最基本的機器是人類應用技術的起點。輪子在扭力之下作出旋轉。越接近軸心,扭力越大。把不同大小的輪接連,可造成複雜的機械。把輪與楔結合即成為齒輪

輪子受力滾動時,其摩擦力較拖曳等重物品時要低,其原因和摩擦力有關,不過輪子滾動時摩擦力雖然較小,但仍然有稱為滾動阻力的阻力,主因是由形變的能力損失所造成。

軸承就是利用輪子阻力較小的原理,在內圈和外圈中間加入滾珠或滾軸,當內圈和外圈有相對運動時,所有鄰近物體的相對運動都是滾動,从而減少內圈和外圈之間的摩擦力。不過也有些更簡單的軸承,稱為軸套或是平面軸承,直接讓內圈和外圈之間有摩擦力,沒有加入滾珠或滾軸等零件。

利用輪子還有一個好處:若經過的表面有一些高低起伏,若輪子的半徑夠大,可以越过凹凸之处,輪子仍然可以前進,不會受到影響。

輪子的結構[编辑]

輪框[编辑]

輪框英语rim (wheel)(rim)也稱為車輞、輪圈、輪緣,是「輪子的外緣,固定住車胎的部分。」[6]腳踏車車輪英语bicycle wheel的輪框就是車輪外緣的金屬圈,和輻條(spoke)的外側固定住,再固定住車輪的輪胎。在現代的汽機車上,輪框是輪上設計的外圓周,在輪胎的內側也是固定在輪框上。

在西元前一世紀在馬戰車的木製車輪外圍就已經有鐵製的輪框了。

輪轂[编辑]

輪轂(hub)是輪中心的部份,一般是安裝軸承以避免摩擦力,也是輻條內側連接的部份。

無轂輪英语Centreless wheel是一種沒有中心輪轂的輪子。嚴格來說,無轂輪的輪轂和輪框是一體的,這類的軸是中空的,和輪子本身只有很小的公差

輻條[编辑]

伊朗國家博物館英语National Museum of Iran展出的一個有輻條的車輪。是在恰高·占比尔發現的,年代約在西元前第二世紀

輻條是輪子上呈放射狀,連接內緣(輪轂)和外緣(輪框)的杆。spoke一詞最早是指一塊大的木條,會縱向的切四到六段等長的部份。馬車的輻條就會用這類切割後的木條再加工,可以符合車輪需要的尺寸。輻刀英语spokeshave就是製作這類木條的工具。後來輻條一般會指車匠英语wheelwright製作好的成品,就不是指所使用的材料了。

鋼絲[编辑]

鋼絲輪英语wire wheel的輪框和輪轂之間是用鋼絲的輻條相連接。所使用的鋼絲比鋼絲繩英语wire rope所用的要硬,但其功能和有預張力的可挠性線纜相同,都是在輪子受力時讓輪框維持圓形。

大部份的腳踏車及一些摩托車仍使用鋼絲輪。鋼絲輪是由航空工程師喬治·凱利英语George Cayley發明,而詹姆斯·斯塔利英语James Starley將其應用在腳踏車上。

採用鋼絲輪的1957年MGA轎車

輪胎[编辑]

堆疊的汽車輪胎

輪胎是一個環狀的物體,包覆住輪圈的外圍,輪圈不會直接接觸到地面,而輪胎本身是柔性緩衝結構,可以吸收衝擊,因此輪子可以緊密的接觸地面,但車上可以靠輪胎而減少一些振動。

現代輪胎的材料有合成橡胶天然橡胶、纖維及其他化學物質。輪胎可以分為外胎和內胎。外胎提供牽引力,而內胎支撐車重。在發現橡膠之前,最早的輪胎只是一圈繞在木輪子外圍的金屬皮,避免木頭磨損。現今大部份的輪胎都是充氣結構英语inflatable structure,包括一個甜甜圈外形,裡面包括鋼絲及線繩的內胎,內胎會充入壓縮空氣以形成充氣結構。充氣胎用在許多不同的車輛中,例如汽車自行車摩托車载货汽车工程作業車輛,甚至也包括 航空器

Trywheel[编辑]

trywheel是指用三個輪子以Y型框架連接的方式,平常會有二個輪子著地並且滾動,而Y型框架本身也可以轉動,trywheel的好處是方便上下樓梯及一些粗糙的路面,可以由外力或是馬達來驅動。

有關輪的專利[编辑]

在21世紀來看,輪似乎是個簡單的東西。不過以往曾有許多的專利設法要改善輪子。其中包括:

  • Joseph Ledwinka,1906年的美國專利US808765[7]
  • Manuel Herrera de Hora,1906年的美國專利US836578[8]
  • Louis Mékarski,1906年的英國專利GB190702860[9]
  • William Morris,1915年的美國專利US1159786[10]

其中許多的專利都是為了要創造一個有彈性的輪子,現代的輪胎提供了這部份的機能。

替代品[编辑]

輪子在道路運輸中廣為使用,不過也有一些場合不適合使用輪子。以下是一些沒有用到輪子的運輸方式:

文化及其他領域[编辑]

印度國旗

文化中,輪常常用來表示循環週期反覆的事物(例如脈輪法輪陰陽等)。

翅膀的輪(飛輪或翼輪)是進步的象徵,包括巴拿馬國徽俄亥俄州高速公路巡警的警徽都有此圖案。

輪也是印度國旗中的一大特徵,表示印度哲學中的吉普賽旗中也有輪子,暗示他們游牧生活的歷史和印度裔的起源。

古埃及文化中,輪是用來表示太陽的符號[11]

在現代而言,輪子是很基本的物品,可以買到,不太需要自行製作,因此有些領域中若重新設計一些已有的東西,會稱為重造轮子

中国网络上,有时也用「轮」或「轮子」指代法轮功以避开中国共产党网络审查

参见[编辑]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

  1. ^ 簡單機械. Content.edu.tw. [2017-03-14]. 
  2. ^ Alexander Gasser. World's Oldest Wheel Found in Slovenia. Government Communication Office of the Republic of Slovenia. March 2003 [19 August 2010]. 
  3. ^ Ghosh, A. (1989). An Encyclopedia of Indian Archaeology. New Delhi: Munshiram Manoharlal. p.337; Rao, L.S. (2005–06). The Harappan Spoked Wheels Rattled Down the Streets of Bhirrana, District Fatehabad, Haryana. “Puratattva” 36. pp.59–67.
  4. ^ See e.g. Molded tablet and Bull seal, Harappa.
  5. ^ bookrags.com – Wheel and axle
  6. ^ Jewel, Elizabeth. The Pocket Oxford Dictionary and Thesaurus. Oxford University Press. 2006: 722 [2012-01-04]. ISBN 978-0-19-530715-3. 
  7. ^ Wheel Structure. Original document: US808765 (A) ― 1906-01-02. Espacenet. 
  8. ^ Vehicle – Wheel. Original document: US836578 (A) ― 1906-11-20. Espacenet. 
  9. ^ Improvements in Spring Wheels for Vehicles. Original document: GB190702860 (A) ― 1907-07-18. Espacenet. 
  10. ^ Resilient Wheel. Original document: US1159786 (A) ― 1915-11-09. Espacenet. 
  11. ^ Hall, Adelaide S. A Glossary of Important Symbols in Their Hebrew: Pagan and Christian Forms. 2005: 56. ISBN 9781596055933.