轮子与设计.pdf

96新美术：2 0 0 6 年第2 期总第2 7 卷一、轮子的起源车轮产生与存在原理人类的生活离不开衣食住行，行（出行、运输）交通，作为人们一种必需的生活方式而存在和发展，在此基础上的发明创造，既体现着自然的规律，也蕴含着人类设计思维中的奇思妙想。轮子是人类腿和脚的延伸，它把人类从蹒跚而行中解放出来，一部车与轮的历史，不仅是一段发明运送人和物的新方法的历史，更是人类增进交流，文明进步的历史。在男耕女织，渔猎为生的年代，独轮车、双轮战车、四轮马车，都是我们难以割舍的伴侣，而今天的轮子更被广泛应用于汽车、火车、轮船、飞机等我们赖以为生的交通工具，在高科技力量的推动下，发挥着更大的运行传动效能。培根在新工具中指出：“从许多书籍和许多制造品看来，心和手所产生出的东西是很多了，但所有这些花样乃是出于已知事物的精华和引申，而无关于原理的数目。”认识事物就必须先抓住其存在的少量本质原因。轮子的发明，其目的主要在于克服摩擦力。摩擦力就是在粗糙的表面上产生的使物体难以运动的阻力，当车载重行驶时，车轮触地的那部分不是在滑动而是在滚动，因此大大减少了摩擦力。摩擦力去掉得越多，轮子的运行效率越高，施加的作用力以及消耗的能量也就越经济。在克服摩擦的斗争中，轮子是人类取得的最大胜利，有人评价说：它的发明，与火的发明具有相同的价值，可见其对人类文明的贡献之大。关于车轮起源问题的不同观点有关车轮的起源，曾引起不少的争论，一些专家提出过各种考古学上的论据，但始终未有定论。归纳起来，较普遍的说法有以下三种：1、仿生得来轮子的起源，从古至今都仿佛是个迷，较多的古籍作了仿生学的解释，如“见飞蓬转，而知为车”。认为是自然界的转动现象，启发了创造者的灵感。有的专家认为：原始人在发现了原木从山坡上滚下来的现象而后发明了轮子。轮子与设计柳冠中 李永春97New Arts:Volume 27,Number 2,20062、转轮工具（陶轮、纺轮）的启发而来。有些学者将注意力集中于原始人很早便掌握的制陶技术上，在制陶时，用慢轮整形修坯，用快轮产生离心力拉坯成型。人类没有发明车辆前，已使用了上千年的轮子。作为推测，在新石器时代，按当时的工具，木质和石质的轮子都难以生产，而如果把轮子做成陶质，对一个陶工来说是再简单不过的事了，他们从圆球滚动受到启发，于是用淘泥做成豆饼状的东西（因将其压扁，可增加方向性的控制），中间留下方孔，烧成陶质，安上轴，用支架支起来，就是一幅结实、美观、实用的转轮。有了轮子，为车的发明打下了基础，最初的车可能只是陶质的玩具车，有了制造陶轮和玩具车的经验，再加上青铜工具的发明，生产木质车轮的条件开始成熟。3、由滚木或辊子发展而来通常轮子的半径大于横截面，如反之，我们则称其为辊子，二者虽有区别，但也有联系。有历史记载，为了修建宗教和天文建筑，古人多使用由树干做成的滚木，以移动“巨石”。这种观点一度十分流行，并以建造金字塔为证，首先石块由船从采石场运来，然后放在成排的滚木上，再从陆地上拖到建筑场地。而问题是，埃及人在沙漠上建造金字塔，不使用容易下陷的轮子，而用滚木移动巨石，自然是不无道理的。又据李约瑟在中国古代科技史中指出的：“矛盾在于，表示美索不达米亚辊子的最早图画是公元前8 世纪的，比战车轮的图画要晚得多。”还有一点，“并未发现中国及东方古代有众人使用滚木移动重物的图画或文字记载”。尽管轮子的起源问题说法不一，但可以肯定的是，它的发明极大地满足了人们对于交通技术革新的需求，人们为了走得更快，行得更远，负载更大，更加舒适安全，进行了不懈的努力。今天历史上看似必然的存在，实际上都综合了天时、地利、人和，隐含了祖先无数的创造智慧和艰辛。设计的本质反映在人们寻求最适当的方式来处理源自生活中产生的特定需求。轮子的起源和演进最终都是因主观的或客观的限制与调整而归结到一种适当的形式，因此，由于内外因素的变化，导致轮子的产生，我们应有意识地侧重探索它的生产条件和限制，认识其深层次的对于设计的本质要求。轮子作为综合因素下的恰当形式，是“物顺事理”的必然，也是“人为事因”的结果。二、车轮演变规律的探索中国古代车轮演变历程中国设计文化的演化，是缘于中华民族特殊的历史演绎结果。七千年聚散分合的历史，导致了文化思想的多元化统一格局，儒学、道家、佛教，皇权、科举、百姓等，有着从人生观到方法论的不同层面的精神选择和价98新美术：2 0 0 6 年第2 期总第2 7 卷值取向，社会、科技、文化的演变构成车轮演变的前提。我国的轮车肇始于新石器时代晚期，当时是一种辁车，车轮是没有轮辐的圆木或拼钉的实心木板轮。夏初奚仲挠曲为轮，标志着辐轮的真正出现。春秋战国时期木工技术大发展，高级车辆制造技术得到深入细致的总结，并形成规范；考工记出现，已能将轮的圆周作简单的等分；车轮上出现了夹辅，用以加强车轮的薄弱环节，轮轴间注入脱脂动物油润滑。秦建立了全国性的陆路交通网和统一的交通制度，如“车同轨”（轨是两轮间的距离，规范了道路的宽窄）。汉代车辆取得辉煌成就，设计采用模数制，有造车的工场，有专门的轮匠；发明了蝶形轮和重型组合轮。东汉三国时期，出现了典型的独轮车；指南车和记里鼓车，具有自动离合装置，形成齿轮系统，是中国古代机械工程成熟标志。两晋南北朝，造车数量大增，出现装有20 个轮子的巨型攻城车。五代时出现手推三轮车，用途极广。唐宋元在车辆制造技术方面未有突出性进展，只体现出高度的精密性和一定的灵活性。明朝出现了适于山地运输的八轮车。清朝出现了能利用风力的扬帆独轮车及铁甲车。中国古代制轮技术典范1、汉代重型组合轮轮分三部分：毂、辐、牙。首先在每根辐条头上镶一木块（即称“牙”），从侧面装遮盖木块的弧形板（称“帘牙”），将两边帘牙钉好后，再在整个组合件外面包上木箍或铁箍，然后用木块等把各辐条头上的牙间隙填满，并用销钉把各部分牢固地连接在一起（较高级的有用软木为牙，外包蒲叶的，更加高级的车辆有用皮革作轮缘而其中填絮的）。古代造车，首先要求造好轮，由于动态中负重颠簸，各部分所受的瞬间压力巨大，因此制造工艺要求十分严格。毂是轮的核心，短毂摩擦阻力小，常用于货车，长毂运行平稳，常用于乘车。辐和牙组合制造技术也很关键，“柔辐必齐”，牙则要求外不裂，内不折，旁不鼓。常用轮材有檀、榆、槐、枣等，注重材质的坚柔调节、因材施艺、合理择伐。考工记“轮人篇”有曰：“斩三材必以其时。”之后又演进出更多的加固措施，例如毂孔的两端装金属围，轴上等距嵌入金属块锏，车轴和轴承的装置上采用软硬复合装置。“察车自轮始”，要求车轮十分圆正和坚固，只有这样，与地面接触少，阻力小，才能快速运行。由此，轮匠还发明了严格的检验手段：图一：古代车字均突出轮的形象，例如甲骨文与金文车字图二：汉代重型组合轮图三：西汉蝶形轮99New Arts:Volume 27,Number 2,2006用圆规检查其是否圆正；用等大的平衡圆盘测轮的平整度；用悬线测辐是否笔直；水中沉浮看各部分的均衡性；用度量衡测量两轮大小轻重是否相等。2、蝶形轮长沙西汉墓出土的官车，有精致的蝶形车轮，形式很像农民的笠，蝶形凹入侧既有向外的也有向内的。在车辆颠簸时，蝶形轮会产生很强的反侧面推力，迫使各辐条更牢固地压入车辋，对于外伸的车轮来说，还有把泥土甩清的优点，较强的轮总是倾向于保护较弱的轮。欧洲直到文艺复兴后期，才出现蝶形轮，中国比其早了1600 年左右。3、独轮车汉魏时期出现了典型的独轮车，车辆触地部分更少，行动轻便、灵活、用途广；清朝出现了扬帆独轮车。外国车轮演变历程外国的交通史也是由最初的人力搬运，牲畜驮运，发展到畜力牵引的泥橇、雪橇，滚木移动巨石，然后发明了轮车。但由于东西方文化差异，以及思维方式的不同，对于行的方式的理解也不尽相同。大约在距今5000年前，有轮子的车辆在两河流域出现。公元前2500年前后，苏美尔人使用四轮战车。古埃及图坦卡门的两轮战车使用辐轮。文艺复兴前，欧洲出现带齿轮的防滑轮（带辐木轮外包齿状铁皮）；在16 世纪，欧洲有车轴两端向下倾斜的蝶形轮，轮辐运转向下时，辐条和地面成直角，这样轮子的负荷能力和耐用寿命会增长。英格兰公共马车，为应付泥泞松软路面和大载重量，使用大实心加重轮，外包防震防滑胶皮。1760 年英国开始产业革命，动力大大改进，生产力大幅提高，自我驱动的三轮拖拉机、火车机车、蒸汽明轮船、摩托车和汽车都相图五：清代扬帆独轮车图六：独轮车的演变图四：汉魏独轮车100新美术：2 0 0 6 年第2 期总第2 7 卷继发明出来。实心橡胶胎、金属辐条随着高压蒸汽机、内燃机经历变革。1870 年开始，电能开始广泛应用，充气轮胎被发明、普及。1971年美国月球车，使用金属丝网车轮，全时四轮驱动，在崎岖不平的月球表面每个轮子都配有发动机，可以转向和跨越障碍。协和机应用了四轮转向架及高压轮胎，以应付急速的起落、震动、导向与摩擦。20世纪末，人类进入信息时代，人们对轮子的需求更加多元化，轮椅、手推车、可移动式办公桌椅都有不同形态的轮子。材料更加多样，铝合金、玻纤韧化尼龙、树脂等科技含量更高、加工系统化、精密化。现代自行车、滑板、旱冰鞋的轮子更代表了一种新的自然清新的生活方式。现代制轮技术演变典型分析培根关于演变过程的规律性认识，曾有一段话很有启示作用，“在物体的全部生成和转化当中，我们必须探究什么失去和跑掉了，什么保留下来，什么加上去；什么扩张了，什么缩减了；什么合起来，什么分离开；什么继续着，什么割断了；什么是推动的，什么是阻碍的；什么占优势，什么退下去；以及其他各种各样的细节。”寻常的木制轮，包上一层宽宽的铁轮胎；巨大的铜蒸汽锅炉，使车子不平稳；活塞通过一个棘轮装置驱动一个前驱动轮，这台三轮拖拉机就是第一台“自我驱动”的交通工具，它无疑是发明动力新方法的标志。伴随着火车的发明，不但发明了铁轨，也发明了带凸缘的火车轮子，这样就有了防止火车高速行驶或转向时侧滑脱轨的方法。法国早期的标致汽车已开始运用实心橡胶轮胎，金属的辐条，但充气轮胎的发明则使汽车成为一种速度的象征，更加适应多种路况的需求；并结合路面平整度，总结出运行平稳的方法，在坑洼地区作业的拖拉机等交通工具，都适当增加了轮径；越野车等安装防止剧烈颠簸的弹簧减振器等；即使在高速公路上行驶的轿车也安装了平衡块，使速图八：人类设计轮子的能力愈来愈强，从简单的到复杂的，从有形的到无形的轮子，等等，但只要掌握了满足需求的方法，无论形式怎样演化，其本质意义是永远不会消亡的图七：自行车轮子的演化101New Arts:Volume 27,Number 2,2006度、安全、舒适有机结合了起来。追求速度，小小轴承和滚珠使传动效率成倍地提高，滑板和旱冰鞋让人们感到仿佛轮子在脚下生出，这可谓是最贴切的腿脚的延伸方式；反之，为了减速、安全，人类又发明了各式各样的防滑轮，有冰地轮胎（带金属长钉），有雪地轮胎（带金属抓地齿），有越野轮胎（带橡胶凸块）等等有需求的地方，设计就集社会、科技等系统的资源，探寻一种解决问题的方法，这也是“事”设计的过程，最后得到“物”设计的结果。三、由车轮演变看设计趋势车轮的起源及演变历程，如同浮现在我们面前的一幅生动的场景图，让我们清晰地看到：由于制轮工艺与材料、技术和载体的特性，影响并形成了相关联的车辆、动力，改变了人们特定的生活节奏，并升华为一种生活形态和文化（例如当今“手机加轮子”的生活方式）其中每一环节之间即“事”、“物”、“器”、“理”互为因果，构成特定工业设计系统的结构原理。图九：越野车的弹簧减震方法图十：使车轮载重增强的方法102新美术：2 0 0 6 年第2 期总第2 7 卷交通方式的选择组合成一种更深层次上的生活与工作概念。当人们快捷、安全、舒适、合理的交通需求冲击着车轮的生产工艺、材料乃至设计风格时，更新的不仅是新生的功能载体，而是观念、评价、标准、方法、知识、信息整个系统的再整合，新的组合得到许多意想不到的形式效果，反过来又极大地刺激新一轮的革新演进。未来工业设计是与整个社会系统的演进步调一致的，今后科技进步的可能性，社会变革、价值观、生活方式的更新，都会决定它的发展趋势。在某些领域，轮子似乎将要完成它的历史使命，而为更高的科技形成所取代，例如磁悬浮列车，已不需轮子滚动前进。但这种取代也应建立在“适可而止”的基础上，对于物质条件下不发达的地区，普通列车无疑更加符合其使用成本与生活节奏。尽管未来的理想是寻找更好的、比轮子更合理的传动装置并逐渐将其取代，但这一过程无疑是非常漫长的，因为轮子本身存在的合理性及使用的普遍性在取代与重生（新的应用）中，形式会更加丰富。然而，设计从根本上说不是形式问题，而是充分利用系统资源，在组织完善新形式的同时，实现人类的需求理想，其研究的价值在于，不断积累和创造新方法，因此可以这样说，设计的本质是方法问题。最好的轮子并不一定是高科技轮，更不是片面追求流行设计风格的产物，合情合理方为首选。新能源、新材料、新制造工艺的出现，带来科技进步，轮子的效率可以不断提高，但关键在于把握技术选择及使用上的合理性，更加注重节约能源、防止污染及滥用高新技术，警惕效率提高和方便省力的资源代价。未来的工业设计应突破传统束缚，革新观念。一方面，设计归根结底是为生活而存在的，不必拘泥于经典的设计形式；另一方面，设计使轮子由无到有，设计使需求的满足形式幻化无穷。未来的轮子也可能不是圆的，但未来的工业设计却应更加关注一时一地人类的本质需求，而非精、奇、新、异的设计形式本身。四、结语正如我们今天总是把人类最初黎明时期的进步，总结在人类对自身双手的解放（工具的使用，直立行走）、双脚的解放（车与轮的发明）与火的使用上一样，我们将冷静思考信息时代里思想解放的真正蕴意。系统地审视历史上的设计典型事物、史实或观念，“物”或“器”表面上的纵向发展与横向关联，“事与理”进行比较分析，即可将特定的设计目标系统结构揭示出来，以指导未来的工业设计，这正是我们今天设计研究与比较的目的和意义。