自行车轮子设计成圆形，核心原因是滚动效率最高且受力均匀，大幅减少骑行阻力。
圆轮转动时，车轮中心到地面的距离始终相等，因此车体不会上下颠簸。如果换成方形或多边形，骑行中每转一次就会卡顿多次，类似“过山车”式的颠簸感会消耗体力。
骑行时人体和车架重量集中在轮轴。圆形轮胎通过辐条结构将压力分散到整个外圈，而三角形等不规则形状的轮子边缘某些部位会承受更多压力，容易导致车圈变形甚至断裂。
橡胶轮胎和金属轮毂的组合方式天然匹配圆形轮廓，方便安装和更换。目前市面上部分创意自行车尝试过星形轮，但需要通过铰链结构补偿转动惯性，反而增加故障风险。
早期马车使用过木质圆轮加铁皮的组合，但接缝处仍需要皮革减震。现代充气轮胎搭配圆形金属轮毂，已兼顾轻量化、耐用性和操控性，短距离送货的三轮车使用实心胎时也能维持圆形基础结构。
最近两年共享单车升级了蜂窝状镂空轮毂设计，依然保持圆形外沿。这类改良说明即使技术迭代，圆形作为车轮的“黄金形状”仍未被取代。
所有车的轮子都是圆的吗
并非所有车的轮子都是圆的。不同类型的车辆，其车轮形状存在差异，以下为你详细介绍：
自行车和汽车的车轮通常是圆形的。圆形车轮具有诸多优势，从几何角度来看，圆上任意一点到圆心的距离都相等，这一特性使得车轮在滚动过程中，车轴到地面的距离始终保持不变。当车辆行驶在平坦路面上时，这种稳定性能够保证车辆平稳前进，减少颠簸感，为骑行者或驾驶者提供舒适的体验。同时，圆形车轮在滚动时所受到的摩擦力相对均匀，有利于提高车辆的行驶效率，降低能量损耗，使车辆能够更轻松地前进。而且，圆形车轮在转向时也更加灵活，能够顺畅地改变行驶方向，适应各种复杂的路况。
火车车轮并非完全圆形，而是呈锥形，内圈大、外圈小，内侧突出的部分叫轮缘，与钢轨接触的面叫踏面。火车车轮设计成锥形有着重要的原因。在火车行驶过程中，由于轨道不可能绝对平直，会存在一定的曲线和弯道。当火车通过弯道时，锥形车轮的特殊形状能够使车轮自动向曲线内侧移动，从而使轮缘与钢轨更好地贴合，保证火车行驶的稳定性，防止脱轨事故的发生。此外，锥形车轮还可以在一定程度上自动调整车轮在轨道上的位置，减少车轮与钢轨之间的磨损，延长车轮和钢轨的使用寿命。轮缘则起到了限制车轮横向移动的作用，确保火车始终在轨道上安全行驶。
为什么轮子是圆形的？
1. 保持车轴与地面距离恒定，确保行驶平稳当车轮为圆形且车轴安装在圆心时，车轮滚动过程中，车轴与地面的距离始终等于车轮半径。这一特性使得车辆在行驶过程中不会因地面起伏或车轮转动而产生上下颠簸，从而保证乘坐者的平稳性。例如，古代马车若采用非圆形轮（如方形或椭圆形），车轴与地面的距离会随车轮转动不断变化，导致车辆剧烈晃动，无法正常行驶。
图中展示了圆形车轮滚动时，车轴（圆心）与地面的距离始终等于半径，确保平稳性。
2. 滚动摩擦力远小于滑动摩擦力，节省能量物体在地面上移动时，滚动摩擦力通常仅为滑动摩擦力的1/100到1/1000。圆形车轮通过滚动方式移动，相比非圆形轮的滑动或拖拽，能显著减少能量损耗。例如，推动一个装载重物的箱子，若直接在地面上拖动（滑动摩擦），需要施加较大的力；而若将箱子放在圆形轮子上推动（滚动摩擦），所需力会大幅降低。这一原理在古代运输中尤为重要，它使得马车能够承载更重的货物并行驶更远的距离。
3. 圆形结构的几何特性优化了能量传递效率圆形是唯一一种所有点到圆心的距离均相等的几何形状。这一特性使得车轮在滚动时，每个点与地面的接触时间、压力分布均匀，避免了因形状不规则导致的能量浪费。例如，若车轮为椭圆形，其长轴和短轴处的滚动半径不同，会导致车轮转动不均匀，增加能量损耗和机械磨损。
4. 非圆形轮的特殊用途：突破均匀转动的限制尽管圆形轮在大多数场景中具有优势，但非圆形轮在特定需求下也有应用。例如：
凸轮：自动化生产中常用的凸轮，其轮周上各点到轴心的距离不同。当凸轮转动时，紧靠其边缘的机件会被周期性地外推和收拢，从而实现自动控制动作（如机械臂的抓取、阀门的开关等）。艺术装置或玩具：某些设计为非圆形轮的装置（如椭圆轮、方形轮）可能用于展示特殊运动效果或娱乐目的，但这类轮子通常需要配合特定轨道或环境使用，无法直接应用于常规交通工具。
5. 历史背景：圆形轮的发明与演变车轮的发明时间尚无定论，但考古证据表明，公元前3000年左右，美索不达米亚、高加索地区和欧洲可能同时独立发明了车轮。最初的车轮由制陶工人发明，用于转动陶罐（陶轮），随后被改进并安装在马车上，彻底改变了人类交通方式。这一发明之所以选择圆形，正是基于上述几何和物理优势。
总结圆形轮的设计是几何学、物理学和工程学共同作用的结果。它通过恒定的半径、低摩擦力和均匀的能量传递，成为交通工具和机械装置中最优化的选择。尽管非圆形轮在特定场景下有应用，但圆形轮的普适性和效率使其成为人类文明中最具标志性的发明之一。
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