轮子一定要是圆形的吗

在《十万个为什么》数学第1册中有一篇文章，题为《为什么车轮是圆的》。对于普通的车轮来说，确实应该做成圆形，而且车轴应该安装在轮子的中心。否则，车子即使行驶在平坦的大道上，也会颠得使人难以忍受。

但是，作为一个轮子——不一定是车轮——是不是非做成圆形不可呢？就是车轮，有没有例外呢？

在齿轮传动系统中，如果一对齿轮都是圆形的，那么通过齿轮传动，可以改变转速。譬如主动轮50牙，被动轮100牙，当主动轮每分钟转100圈时，被动轮每分钟应转50圈。被动轮的转速虽是变慢了，但转动仍是均匀的。不过生产中有时却希望转动不均匀，一会儿快、一会儿慢，这时就可以用非圆齿轮。

非圆齿轮有很多种，椭圆齿轮就是其中的一种。

（1）

（2）

（3）

（4）

上面就是一对椭圆齿轮传动时的示意图，设左轮为主动轮，右轮是被动轮。我们来看一下，当主动轮是匀速旋转时，被动轮旋转是否均匀。从（1）到（2），主动轮转了约24°，而被动轮转了约45°。从（2）到（3），主动轮转了90％被动轮大约转了140％但是从（3）到（4），主动轮又转了90％被动轮却只转了40°。可见，尽管主动轮转半圈，被动轮也转了半圈，但被动轮在转动时是先快后慢的。

有人可能会有这样的疑问：两个椭圆齿轮传动时会不会发生啮合不起来的情形呢？也就是说，会不会转到一定的时候，两个齿轮“脱空”了？又会不会转到一定的时候，两个齿轮“轧死”了？不会。

我们知道，摘圆周上的任意一点到两个焦点的距离之和是常数（设为2a）。如果两个椭圆齿轮大小形状都一样，而且齿轮两轴心间的距离又特意调节为2a，轴心定在椭圆齿轮的一个焦点位置上，那么，啮合点到两轴心的距离之和恰巧等于2a，也就是等于两轴心间的距离。那样，两个齿轮就既不会“脱空”，又不会“轧死”。这一点可从图（5）中看出。

（5）

在自动化生产中，常常用到一种叫做“凸轮”的零件。轮周上各点到轴心的距离，并不如圆周那样是相同的，而是不相同的。在凸轮边上紧靠着一个机构G，凸轮转动时，先是将G外推，如下图（1）—（4）所示，到（5），G突然收拢。这样周而复始地外推、收拢，外推、收扰，G就可以自动控制某个机构动作。

就是车轮，在很特殊的场合，也并不见得以圆形为好。譬如在泥泞的土地上，圆轮容易打滑，因此有人设想采用方轮。这样做，与地面的摩擦力大了，打滑现象就可以防止。当然，方轮滚起来不平稳，为此，设计者采用了变动轴心的方法，使轴心离地始终保持大致相同的高度。总之，任何事物都不是绝对的，自然轮子也不是非圆形不可了。