一项基本发明的历史和演变设计
在北美，2月14日是最著名的情人节。这一天也标志着摩天轮日，庆祝发明家的生日。小乔治·费里斯为1893年芝加哥世界哥伦布博览会创造了这个同名车轮。这座250英尺高的建筑配备了36节车厢，每节车厢可搭载40人，与埃菲尔铁塔媲美。这是一个工程奇迹。今天，摩天轮和其他轮子都很平凡;带轴轮是工程学六大经典简单机械之一。然而，基本的车轮也是一个奇迹，它是在冶金学和青铜冶炼之后发明的。它出现在动物驯化和农业建立很久之后。与其他简单的机器不同，自然界中没有轮子和轴供早期人类复制。 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，工业革命监督了工业车轮在金属轨道上的常规创造和使用。标准化、规模化生产和使用铸铁、钢车轮的历史还不到200年。虽然它是常见的，车轮仍在适应和改进。
什么是简单的机器?
简单的机器提供了机械上的优势，使工作更容易。做功，在物理学中，是一个力作用在一个物体上，引起位移。简单的机器利用机械优势，或杠杆，使工作更容易。这通常意味着简单的机器在更远的距离上使用更少的力来完成同样的工作。
例如，将一只脚的保龄球举到空中需要一定的功。把它举起来所需要的功和把它推到斜坡上到同样的高度是一样的(假设摩擦可以忽略不计)。然而，抬起物体比在斜坡上滑动物体需要更多的力。坡道的坡度越平缓，达到一英尺的高度所需要的时间就越长。将物体滑上斜坡所需的力会随着坡度的减小而减小，尽管这种力必须在较长的时间内施加。
简单机器的效率是通过它们在无摩擦系统中的理想机械优势(IMA)来衡量的。
六种简单的机器
简单的机械有六种:斜面机、楔子机、螺旋机、杠杆机、滑轮机、轮轴机。
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
爬一条平缓的蜿蜒小路比爬一条陡峭的梯度路线更容易，尽管它可能需要更长的时间。功是一样的，但所需要的力减小了。斜面是如此无所不在，以至于在古代没有被归类为简单的机器。
楔
穿透深度/分离距离
斧头是典型的楔形，有两个背靠背的斜面。楔子的力向下插入材料并将其分离。楔形是最早的原始工具之一，见于石制手斧、刀片和箭头。
杆
输入距离/输出距离
杠杆利用一根横梁和一个枢轴点来创造机械优势。当光束穿过枢轴时，靠近枢轴的物体移动的距离比远离枢轴的物体移动的距离小。远点移动得更远，因此加速度更大。力等于质量乘以加速度:加速度越大，力就越大。公元前3世纪，杠杆首次被描述为简单的机器。
螺杆
2π螺纹轴直径/穿透深度
螺丝钉本质上是一个扭曲的斜面，可以抬起物体或将物体捆绑在一起。螺旋的机械优势来自于斜面的旋转，并可以通过杠杆的力量被放大。
滑轮
支撑绳环总数
滑轮是一组绳子和滑轮，用来帮助提升物体。绳子的每一段都占物体质量的一小部分。因为绳子必须通过所有的滑轮点，所以必须拉动绳子来提升物体的距离就会增加。所需的力减小了。
轮轴
轮半径/轴半径
车轮是一种半径较大的圆盘，附着在半径较小的轴上。当车轮和轴一起旋转时，车轮边缘上的点比轴边缘上的点移动的距离更大。车轮边缘的力被放大，以完成沿轴拉动负载的工作。相反，沿轴的小旋转被放大，以覆盖更多的距离周围的车轮边缘。
车轮的发现
楔子、杠杆和斜面在史前就被使用了，但直到公元前3500年，在青铜时代，车轮和车轴才在考古记录中被发现。虽然车轮在现代与交通工具有关，但这并不是它们最初或最常见的用途。美索不达米亚的陶工首先使用手轮作为旋转平台来卷制陶罐和其他器皿。在中美洲在美国，最早的轮子装在小雕像上，放在腿的末端，像今天的玩具车一样滚动。然而，直到与欧洲人接触之后，北美的考古记录中才发现了轮式车辆。绞车、磨机和车轮的制造用途存在于有轮式车辆没有的地方。
最早的轮式交通工具是手推车，使用简单的木圆，车轴上有一个洞。车轮本身很重，轴也跟着转动，在系统中产生摩擦。由于这些原因，轮子往往出现在有大型驯养动物的地方。这也许可以解释为什么中美洲文化没有采用轮子:因为没有动物可以让他们负轭。
在第一个轮子中，轴和轮子一起旋转。该系统允许绞车、风车或水车工作，但在手推车上不太理想。拥有刚性轮轴系统的车辆不容易绕过拐角，因为顺利绕过拐角需要外轮比内轮走得更远(因此更快)。许多装有固定轮轴的手推车也会遇到额外的摩擦。动轴与负载接触的任何点都会发生摩擦。最后，固定的车轴既要足够坚固，能承受负载，又要足够细长，能装进轮子里。
为了制造一个能绕着固定轴转动的轮子，材料和工具都必须进步。金属手工工具的精度是雕刻一个小轴，以穿线成一个轮子所必需的。木材也是最丰富、最耐用的材料，但它经常随湿度和温度的变化而膨胀和收缩。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，使用轮子作为交通工具为我们的祖先提供了几个需要解决的复杂问题。
辐条的发明
轮辐轮的发明是由Sintashta公元前2000年的文化创造了高效的手推车。轮辐车轮更轻，使车辆更容易拉动。木轮在行驶时轻微地压迫地面，在车轮底部的径向辐条转移负载时提供一些减震。
辐条的发展使第一辆战车得以发挥作用。高加索人发展出了马车文化，部分原因是由于这种技术进步，他们的领土和范围在公元前7世纪达到了顶峰。
复合轮、轴承和驱动轮
早期的车轮和现代的车轮看起来很相似，只是材料发生了变化——然而许多小部件的功能发生了变化。
复合轮是一项重大创新，在木轮的基础上增加了金属。铁包裹的木轮是一种改进，以防止快速磨损，并帮助保护车轮免受水分。现在几乎所有的车轮都以某种方式复合，无论是在轮缘还是在轴孔。
轴和车轮之间的表面，即轴承，是车轮构造中的一个重要节点，在这项技术的长期发展中，它见证了发明和创新。降低轴承上的摩擦使车轮更接近其“理想的机械优势”。轴套和滚子轴承或滚珠轴承是我们今天降低摩擦，提高轮轴效率的主要方法。
机动车的发明使人们普遍回到了最初的轮轴模型:两者又被固定在一起。与驱动轮，发动机转动轴，轴转动车轮。只有在动力系统、转向和减震工程方面取得了巨大的发展，汽车才会回归固定车轴。
道路基础设施和车轮
除了内部工程问题外，车轮的功能还受到路面的影响。驮运动物在缺乏像样的基础设施的情况下运输货物，可能会踩过泥、沙、石头或冰。
从公元前600年开始，有证据表明，人们开发了早期的类似铁路的系统，沿着有向导的路线拉滚动的手推车。这种基础设施的发展导致了车轮法兰的发明:轮子边缘的唇，使它们保持在轨道上。这些早期的轨道或马车路通常很短，非常有限，位于常规航运、运输或制造业的路线上。在许多其他地方，驮畜被用来在未开垦的土地上运输货物。
罗马人以建造了庞大的公路网而闻名。然而，在罗马帝国覆灭后，其中许多路线年久失修。在公元2世纪之后的400年里，中东和非洲的标准交通工具变成了骆驼，尽管在此之前该地区已经采用了轮式交通工具。考虑到当地的条件，这种维护是不值得的。
基础设施和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
工业革命见证了铁路的发展，允许重型货物通过蒸汽驱动的火车长途运输。这一发展依赖于其他几项工程的成功，特别是高质量钢材的持续生产。
在18世纪早期，木制轨道在制造业和工厂或伐木等资源开采应用中很常见。当铸铁可用时，制造商会用铁覆盖木轨道的边缘，以减少摩擦，使系统更有效率。铁架上的木轮磨损得更快，但在铁架上运输的货物却更容易移动。把铁放在车轮和轨道上的实验被证明是不切实际的，因为铁是易碎的:这种安排更有可能使其中一个碎片和断裂。此外，非常沉重的负载慢慢地扭曲了轨道，而铁包裹的车轮增加了总重量。
高质量钢材的生产改变了轨道和车轮的游戏规则。随着铸造厂和钢铁厂的上线，大量生产的钢材有了另一个优势:它们是标准化的．铸造厂的一个模子可以制造出数百个几乎相同的零件，所需的时间只是一个轮匠生产一个木轮所需时间的一小部分。1857年第一批钢轨埋在英格兰德比。很快，为蒸汽火车的金属车轮准备的钢轨网遍及世界各地。
铸铁和钢轮
金属履带上的金属车轮减少了车轮与地面之间的摩擦，因此增加了系统的机械优势。一辆有钢轮和钢轨的手推车可以运送非常重的货物，而不用担心车轮会在重压下变形。
铸铁车轮最初是最常用的工业车轮。它们比钢便宜，而且曾经更容易铸造。在某些应用中，铸铁至今仍在使用。铸铁耐疲劳，但易碎．钢具有更强的抗冲击性，这意味着在移动负载、不规则轨道或变化条件的情况下，它不太可能出现碎片。有时铸铁的脆性被视为一种优势:铸铁车轮比钢轨磨损得更快，而且车轮比钢轨更容易更换。然而，由于法兰可能在任何时候断裂，而不规则的车轮可能会对轨道造成不规则的磨损，许多在移动负载或条件下的应用都使用钢材，而不会对轨道产生任何问题。
复杂简单的机器
车轮可能只有5000年的历史，但它们已经成为许多复杂工业机器的组成部分。陶轮、纺车、绞车和齿轮都是基于轴半径和轮半径之比所提供的机械优势。
工业革命后，标准化和大规模生产的发展使车轮成为我们交通系统的主要特征。橡胶轮胎对于在复杂的道路网络上的个人交通很有用。低摩擦和承重的钢轨和金属轮毂系统对于重复路线和大重量具有更高的机械效率，铸钢使廉价、坚固、低摩擦的钢轨系统得以发展。
无论是改变车轮的内部结构，能量通过它们驱动的方式，悬挂或转向，车轮的基本概念保持不变。这是一个简单的机器，就像一个杠杆，它允许在较远的距离上的小努力得到与在较短的距离上的大努力相同的功。然而，这台简单机器的复杂性意味着，毫无疑问，它将继续是人类创新的核心。