轮轴

轮轴是六种简单机械之一，是文艺复兴时期的科学家绘制希腊时期的科学文献时所识别出来的^[1]。轮轴可视为是轮和轴的组合，二者一起旋转，力可以从轮传递到轴，也可以从轴传递到轮。一般会用轴承固定轴的位置，而又使轴可以旋转。

起重辘轳（英语：windlass）是典型轮轴的应用

亚历山大的希罗将轮轴列为五个可以提升重物的简单机械之一^[2]。一般认为他所指的是起重辘轳，可以回转把手，以省力的方式用绳子将重物提高，例如将井里的水桶提到井口^[3]。

轮轴可视为另一种特别的杠杆，其施力是和轮轴的切线平行，轮轴的中心为其支点。轮轴的机械利益是其施力位置距轮轴中心的距离比值，也是轮的半径和轴的半径的比值^[4]。

轮轴有二种用途，一种是在轮上施力，是省力的机械，但较费时（例如门把和鱼竿的卷线器），另一种是在轴上施力，是省时的机械，但较费力（例如脚踏车的后轮或汽车的传动轴）。

轮轴和滑轮都属于简单机械，而且两者都是由绕着中心轴旋转的圆轮组成。轮轴中强调的是轮和轴之间施力的关系，也常会将数个大小不同的轮放在同一轴上，绕同一轴旋转；滑轮中的圆轮边缘有凹槽，上面会缠绕绳索，再拉到其他的滑轮，主要是透过绳索在各滑轮中传递力及动能。

原理

轮轴可以被看成圆形的杠杆，其原理可以根据杠杆平衡条件来分析。

设轮（通常是较大的那个）的半径为${\displaystyle R}$，施加在轮上的力为${\displaystyle F_{1}}$；轴（通常是较小的那个）的半径为${\displaystyle r}$，施加在轴上的力为${\displaystyle F_{2}}$，则根据杠杆平衡条件，有

${\displaystyle F_{1}R=F_{2}r}$,

即

${\displaystyle {\cfrac {F_{1}}{F_{2}}}={\cfrac {r}{R}}}$.

应用

• 以轮带轴
  • 削铅笔机的把手
  • 螺丝起子
  • 水龙头开关
  • 汽车方向盘
  • 喇叭锁
  • 石磨
  • 脚踏车前车轮
• 以轴带轮
  • 竹蜻蜓
  • 脚踏车后车轮
  • 摩天轮
  • 电风扇
  • 药研（日语：薬研）

参考资料

1. Wheel and Axle, The World Book Encyclopedia, World Book Inc., 1998, pp. 280-281
2. Usher, Abbott Payson. A History of Mechanical Inventions. USA: Courier Dover Publications. 1988: 98. ISBN 048625593X.
3. Elroy McKendree Avery, Elementary Physics, New York : Sheldon & Company, 1878.
4. Bowser, Edward Albert, 1890, An elementary treatise on analytic mechanics: with numerous examples. (Originally from the University of Michigan) D. Van Nostrand Company, pp. 190