辘轳车

手推车，又称鹿车、辘车、辘轳车，是一个以人力推动的小型运载工具，最早为希腊人或中国汉朝人发明。它符合工效学，能够抵受在崎岖路面行进，但是不能在太过倾斜的地面作物资或工具运输。

独轮车利用杠杆原理而把负载的抗力点的靠近支点（即车轮）而令本身运作有效率，亦把负载分担在独轮车及操纵者之上。因为独轮车令笨重或大量的负载移动变得轻松，所以它在建筑工地、农地、花园中都是不可或缺的。

虽然两轮的手推车在平地较为稳定，但独轮车则在易失平衡的地方如细小、铺板或翘起的路面有较高的可操作性，而且在卸载时亦较易控制。

## 历史

### 起源

#### 古中国

##### 汉朝的考证

虽然有轮的运货车在5000年前已经出现，但独轮车的发明通常会追溯至中国，尽管此说有众多争议。关于中国独轮车的最早描述在2世纪汉朝墓地壁画及砖墓浮雕中发现。在四川成都一个年代为118年的墓中壁画，发现绘有推著独轮车的人。在四川沈府君阙发现年代约为150年的石浮雕，亦刻有推著独轮车的人。二十四孝中便有孝子董永利用名为“鹿车”的独轮车载着父亲到处移动的故事，并描述在山东武梁祠年代为147年的壁画上。但有比以上更早期的证据可以追溯至公元前1世纪及1世纪。在5世纪的后汉书中提及了发生在前30年共挽鹿车的成语故事，故事中鲍宣的妻子与鲍宣一同推著鹿车回乡成亲。期后发生在20年，反对篡位者王莽(前45年–23年)的赤眉起义中，赵憙为自己乔装和把其妻子放在他的鹿车上，并声称其妻子十分不适而成功通过暴徒的询问，从而避过危险。

##### 独轮车的发明记载

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此外，在古代史家陈寿(233年–297年)所著的《三国志》中，陈寿指出蜀汉丞相诸葛亮在197年–234年间为独轮车的发明作出贡献。文中指出诸葛亮在231年发明了木牛流马，并在对曹魏的作战中用作军事供应物品的运输。裴松之在430年所作的注解中详细描述了木牛流马的设计，它有一个单独大型的中心车轮，在代表牛的木制支架周围有一个轴。在11世纪，宋朝(960年–1279年)学者高承在其著作《事物纪原》指出他当时的轴向前倾斜的小车（便于拉动），为诸葛亮木牛的直接后代。此外，高承亦指出三世纪的"流马"独轮车为轴向后倾斜的小车（便于推动）。

##### 中国独轮车的特点

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与其后在欧洲中世纪发明不同（车轴在前方用作运送较轻的负载），车轴在中间的中式独轮车令它们负担起重很多的重量。中国的独轮车通常能够一次负担起六个人的重量，而且它并不是把大量的重量施加在拉动的人或动物上，而是把重量平均分布在拉动者与车轮本身。由从17世纪欧洲到达中国的来访者中对此十分赞赏，并受到荷兰东印度公司的一位成员范巴澜（Andreas Everardus van Braam Houckgeest）在1797年的著作中（精确描述了其设计及负重大的能力）表达对此的极度关注。

#### 古希腊

独轮车可能最早由古希腊发明。两张分别在前408年至前407年及前407年至前406年在伊莱夫希纳（Eleusis）的建筑物资清单列出了“一个单轮车”（ὑπερτηρία μονοκύκλου）：由于δίκυκλος（dikyklos）及τετράκυκλος（tetrakyklos）意义为“双轮车”及“四轮车”，而monokyklou在清单上位于“四轮车”及“四轮车的四轮”之间，解释以上为单轮车像是一个最佳的解释。但实际上并没有古希腊使用独轮车的证据。在希腊化时代亦没有与此相关的证据。

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#### 欧洲中世纪

独轮车在欧洲出现的时间为1170年至1250年之间。中世纪的独轮车普遍特色为其车轮位于或接近车的前方（与此相对的中式独轮车，车轮通常位于正中间）。有关独轮车的早期历史研究因为明显缺乏一个共同的专门用语而变得困难。英国科学历史学家路易斯（M.J.T. Lewis）确定了英文与法文的原始资料中在1172年至1222年间有四处有关独轮车的提及，其中三处为不同的称呼。根据中世纪艺术历史学家安德里亚·玛提耶丝（Andrea Matthies），在1222年对中世纪欧洲有关独轮车的最早参考档案，其内容为购买几架独轮车作为英国国王在多佛的工程之用。马修·帕里斯（Matthew Paris）在1250年完成的《Vitae Offarum》中出现了最早描述独轮车的英文手稿。在13世纪，独轮车被证明在建筑、采矿工程及农业都有其作用。但是现存有关独轮车的文献及描述直到15世纪仍然相对较少。此外文献亦只限于英国、法国及低地国家中找到。

### 独轮车的技术传播及发展

#### 中国的风帆独轮车

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由于缺乏中国文献的关系，中国最早在大型独轮车上架设了桅（mast）与帆（sail）的时间不明，但是16世纪后来到中国的很多欧洲旅客提及此物。在1585年（中国的明朝），胡安·冈萨雷斯·德·门多萨（Juan González de Mendoza）在著作中指出中国有很多载客及载货的马车上安装了帆，而部分丝制的长袍（robe）或土器（earthenware）器皿上更描绘了有关有帆马车的插图。在1584年由地图学家亚伯拉罕·奥特里斯（Abraham Ortelius）的地图集（atlas）《寰宇概观》（Theatrum Orbis Terrarum）中绘有中国大型有帆及桅的独轮车。类似同样的中国有帆独轮车亦在吉哈德斯·墨卡托（Gerardus Mercator）(1512年–1594年)的地图集、与1626年由约翰·斯皮德的著作《世界知名地区全览》中的《中华王国图》（Kingdom of China）被描绘。英国诗人约翰·弥尔顿(1608年–1674年)在1665年写出的一首诗令中国有帆独轮车在欧洲扬名。欧洲人对中国有帆独轮车的兴趣亦可以由范巴澜在1797年的著作中看到，如下：

在山东的南部边界有人发现了一种比我所描述大得多的独轮车，并由马或骡拉动。但令我惊奇的是今天我看到了和一整个渔船同样大小的独轮车。我郑重重申那是一只船，每一只都有一个帆，并绑在位于独轮车前端托座上的小桅上。帆以席子（matting）或更常以布制造，有五至六尺高、三至四尺阔，有绷绳（Guy-wire）、帆绳（sheets）及吊索（halyard），就如中国帆船上一样。帆绳与独轮车的轴连结，所以可以由负责的人所操纵。

#### 独轮车技术的缓慢传播

##### 缓慢传播的现象

虽然独轮车在作战及建筑方面都有明显功用，但是独轮车的技术传播显得比较缓慢及有限制，这现象可以由后期仍然有担架（Stretcher）与独轮车共存的情况得到证明。由足够数量的文献提及作为准则，独轮车技术有可能在15世纪前未受到广泛传播。在文艺复兴时期的"工程师"们的笔记上并未找到有关独轮车的提及。

##### 本地人对独轮车的忽视

在1798年，由拿破仑到开罗的探索中，Abd Al Rahmân Al Jabart在他的报纸中显示出他对此工具的忽视：

他们（那些法国人）利用简单的工具去处理及减少问题，令他们的工作快速完成。因此，他们不使用篮（Basket）或容器（Container），而从后方使用有两个加长了的手柄的小车；一个人用泥土、黏土或岩石把小车填满 .. 另一个人用手捉住手柄往前推，小车的车轮便以最少的阻力在工场转动；一人最后把小车翘起便可以不累地把小车清空。

在1821年，法国农学家对独轮车不被部分法国地区所认识而感到惋惜。

##### 文化的障碍

独轮车缓慢传播的另一证据可以由苏伊士运河在1859年至1869年间的工作地盘中发现。公司代理在工程期间发现在欧洲的农业工作或民间工匠中使用已经是十分平凡的独轮车在埃及仍然不为人知。更令人惊讶的是数次尝试把独轮车推荐给埃及农民使用均告失败。所以此项技术的结晶并没有发挥制造时预期的功用。她本身未能够预期到文化障碍与技术转移或科技进步所发生的冲击。

期后经济学家们加入独轮车缓慢传播的讨论中，因为独轮车技术的本身已经是十分简单而令其缓慢传播的原因变得很矛盾。安格斯·麦迪森（Angus Maddison）对独轮车传播的不同发展提出了模仿过程的重要性。根据他的讲法，中国把独轮车传入西方，而几世纪后，虽然印度与西方已经有特别深入的接触，但印度工人仍然把负载放在头上，如同非洲的情况一样。

开罗的法国东方考古学协会（Institut Français d'Archéologie Orientale）的考古学家们在利用独轮车在他们的挖掘（Excavation）场所上遇到与他们的先驱者相同的问题。

#### 独轮车用途在现代的发展

独轮车用途的顶点在1971年二月发生，由太阳神14号的太空人利用月球独轮车去运送月球石。独轮车在其原理不变下不断改良，例如经过摩托化、可折叠的独轮车和把车轮改成充气的。在1974年，英国发明家詹姆斯‧戴森（James Dyson）制作出他的球型独轮车(Ballbarrow)，一个有球状车轮的注塑胶制独轮车。由本田技研工业制作的HPE60，一个电力辅助的一轮运搬机在1998年完成。纳米科技的发展显示独轮车的模式继续启发技师的灵感，从而出现了现今世上最小的机械装置──纳米手推车。

## 独轮车的技术

### 功能分析

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#### 组成部分

独轮车主要由五部分组成：

- 底架：两个连结的支架，用作支撑独轮车整体。
- 手柄：用作抓握、提供及传送能量，亦是使用者界面。
- 负载及其出入口：一个有内壁的托盘及一个可以上载及卸载的设备，是发挥主要功用的位置。
- 滚动系统：容许以滚筒移动（最低摩擦力），亦负担了部分负载。
- 脚部（以一对或一块的形式）：与车辆形成一个多边形的稳定支撑，在静态期间使用，例如上载期间。

#### 各种变化的分类

不同种类的独轮车可以依照不同用途作出的组成部分的排列改变。

##### 不同车轮数目的变化

- 独轮车在语义上指的是一个车轮的车，但有些情况她亦有可能有两个车轮。即使在有两个车轮的情况下，她们仍然是同轴的。当她有两个车轮时，其优点是能够提供较大的容量、更稳定及能够以单手推动；但其在测试下所暴露的缺点是在不平坦的地面下移动会十分困难，甚至令人十分劳累，而单轮的情况下则克服了这情况。另外，可以使用两轮的地方亦受到车轴阔度的限制。
- 过去经出现过有三个车轮的独轮车（以星号形状排列，用于在楼梯往下移动）或是四轮［在脚部装上脚轮（Caster）］

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##### 车轴与负载的相对位置的变化

- 车轴在负载的前方（最常见）。
- 车轴在负载的下方（见图“东京的独轮车”）。
- 车轴在中央，两轮的情况下由负载两侧的悬臂连接，单轮的情况则是外壳中间有一块整流片（fairing）。

##### 负载出入口位置的变化

- 负载及出入口在支架上：此为当代标准独轮车的形态。此配置能够把负载的重量转移至往车轴，而此配置在对古代独轮车的研究中长期未被发现。以上的变化是欧洲及地中海盆地（Mediterranean Basin）的西方国家的特色。
- 负载及出入口在支架下（全部或部分）：此配置不能够把负载的重量转移至往车轴，但相对的能够提供较大的稳定性。以上的变化是中欧，特别是德国的特色。其描述可以从在1556年的巴塞尔出版格奥尔格·阿格里科拉的著作《论矿冶》（De re metallica）看到。

##### 负载出入口形态的变化

- 简单的盘子，或是一个枕木加上支架，把物件摆上她们后作运送，例子如上图运输猪只的独轮车。
- 有椅背的盘子，即杠杆式手推车（Hand Truck），以前在火车站用作运送货物。
- 有椅背及栏杆（固定或可以移除）的盘子，传统的木制军事独轮车。
- 薄容器，容许运送粒状物及液体。
- 专门化的负载及出入口，槽状、桶状、混凝土搅拌器状等。她们通常是两轮的。

##### 脚部位置的变化

- 脚部在手柄与车轮之间，为常见配置。
- 脚部在车轮之前，属于杠杆式手推车（Hand Truck）的家族，如有车轮的小型旅行箱,，有脚轮的袋等。

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### 力学分析

#### 车轮

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车轮的大小直接影响了独轮车的表现。车辆必须够大才能在崎岖的路面上不被卡住。这样亦令车轮更有效率。虽然改变车轮的悬臂（Cantilever）位置可以增大车轮的大小，但是研究指出车轮增大的程度有其极限。

#### 纵向位置分析

虽然依靠车轮去减少前进的阻力，但是使用了单一车轮（或是单一轴心）不能避免操纵者需要支撑部分负载的事实。对独轮车的其中一样主要关注的地方正是其静态力学的研究。

##### 外加的作用力

考虑独轮车在平地平衡的状态下，提出了三个在外施加的作用力。

- $\vec{P}\,$ 代表独轮车本身及其负载的重量的力，施加在重心 $G$ 上。
- $\vec{R}\,$ 代表车轮对独轮车底盘的作用力，施加在车轮连结中心 $C$ 上。之前对车轮的个别研究证实如果车轮和独轮车底盘间的支点是完美的话（即没有摩擦力），此作用力与地面为垂直的。
- $\vec{F}\,$ 代表操纵者在手柄施加在一点 $M$ 的作用力，由以下研究得出。

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由牛顿运动定律中的惯性定律可以得出两个有关以上三种力的关系：

- 力的总和为0：(1) : $\vec{P} + \vec{R} + \vec{F} = 0$
- 力矩的总和为0：而假定车轮中心为$C$，可以得出以下关系：(2) : $M(P)_C+M(R)_C+M(F)_C=0$

##### 操纵者需要负担的力量

首先，由于负载的重量及地面的作用力均是垂直的，如果要满足条件(1)的话，则操纵者本身所施加的力也必须要垂直。以车轮本身为固定点的话，则操纵者本身要施加向上垂直的力才可以和负载的向下的力取得平衡。依照操纵者和车轮本身需要共同分担负载的事实而改变的方程式如下：

(1) : $\vec{P}=-(\vec{R}+\vec{F})\,$，其强度为：$P=R+F$

而把固定点放在车轮 $C$ 后， $\vec{R}$ 被消去而得出负载 $\vec{P}$ 与操纵者的作用力 $\vec{F}$ 的力矩 $M(x)_C$ 的直接关系：

(2) : $M(P)_C+M(F)_C=0$

而透过扩展力矩的方程式，可以得出：$a\times P - b\times F = 0$，或是 $F = P\times a/b$ 以上阐述了发生在车轮上的杠杆原理的关系。而为了节省操纵者负担负载所需的力量，有以下三种不同方法：

- 减少负载，从而减少 $P$，则会有违当初使用独轮车的目的。
- 减少 $a/b$，可以用以下方式：
- 增加 $b$，即增加连结支架的长度，但当长度增加至某极限便会令独轮车难于操纵。
- 减少 $a$，把此原理发挥至极限便会把负载放在车轮上。达至操纵者不需要任何力量便可以支撑负载，经典例子如人力车。以上原理亦应用在手推车上，从而能够移动较重的货物。而手推车为了增加可以负担的负载，减少了车轮的大小从而减少本身重量，但是因此便牺牲了在崎岖路面的稳定性。而为了解决稳定性的问题而由单轮改变为两轮车。除此之外，因为历史的演进，手推车底架变得挠起亦有助重心接近车轮，达到减少 $a$ 的效果。

而把支撑负载由车轮承担后，如果要移动独轮车，便只要施加与地面平衡的作用力，其强度等于其加速度及质量的积。而此加速与独轮车的结构并无关系。而此情况在两轮或是四轮的运货马车都是一样的。而移动的顺畅度则视乎地面情况，在坚实的路面行走会比高草或泥泞的路面行走容易得多。

##### 斜坡的平衡

当独轮车在斜坡上时，地面的作用力方向便不再与独轮车的重量平行，因此而需要操纵者的加入才能平衡。

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##### 上坡情况

在向上推的情况，三种力的交会点在地面上，而操纵者必须向上施力才能平衡独轮车。如果操纵者不方便地把独轮车的平面支撑著的话，则操纵者附出的作用力仍然合理。独轮车在上斜及落斜是的外表相同，操纵者本身均需要抵消摩擦力。而与在平地行走相比，推上斜坡需要大得多的力量。

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##### 下坡情况

而向下移动时，情况便相反，三种力的交会点在地面下。研究及事实指出操纵者本身需要比平地时施加差不多的力。负载的内容则会加重了问题，特别如果负载是液体的情况。如果在上斜的情况操纵者可以提高独轮车的平面，但落斜的情况便不可能因为独轮车的支撑脚会撞到地面。

#### 横向位置分析

在正前方观察独轮车便会考虑到独轮车有摇晃翻倒的危机。因为在中央有车轮的关系，令情况像一个倒杠杆，而操纵者本身便要维持独轮车的左右平衡。

##### 作用力方向实际上的不平行

当独轮车在载入稳定的负载下直立，操纵者以相等的力量提升手柄。问题在于载入的负载不稳定或是独轮车并不是完美地垂直。在此情况下独轮车重量的作用力便不再与车轮对地面的作用力在同一个垂直平面上。此差距产生一个引致翻侧的力偶，令操纵者必须在相反的手柄施加作用力才能抵消。

研究指出地面与车轮间有摩擦力，而其作用力的方向可以倾侧。实际上即使在摩擦系数近乎零的冰面上，独轮车仍然可以没有问题地转动。此必须的摩擦力并没有为独轮车的前进带来阻碍，而来自侧面的摩擦力则像是以路轨指导车轮行走。

##### 假定翻侧发生的情况

现今的定量研究的注意力放在独轮车维持翻侧阶段的粗略分析。其假设令独轮车翻侧的作用力只放在其中一个手柄上，而力矩间的平衡的描述提供了独轮车重量与操纵者发出的作用力的关系。

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车轮与地面在接触瞬间的作用力：

$P.e=F.m\,$, 所以$P.h\sin\alpha=F.\sqrt{H^2+\ell^2}\,$.

而以操纵者发出的作用力为视点的话：

$F=P.\frac{h\sin\alpha}{\sqrt{H^2+\ell^2}}\,$.

注意因为选择了最佳的研究角度，所以以上数值只是最小的力量。

为了减少操纵者需要发出的作用力，可以：

- 减少负载 $P$，但与使用目的相反。
- 降低重心 $h$，但需要减少车轮的大小或像上一点一样要减少负载。
- 提高手柄 $H$ 及加长 $\ell$。
- 最后方法就是不要翻侧独轮车，在三角函数 $\sin\alpha$ 显示一个微弱的倾侧（几度）不会构成问题，但倾侧角度继续增加会令情况急速变坏。如果负载是液体的话，由于倾侧令其形态改变，会导致重心同时往易于倾侧的方向转移而令情况恶化。

#### 结论

车轮的大小必须足够大去适应地面情况，但亦要足够小去降低重心。其框架必须令外壳十分接近车轮令车轮转动期间稳定。而与此相反，高的外壳位置有助在最后卸下货物，但亦在运送途中较易发生意外。手柄必须向上从而令操纵者的手肘提高到肩膀的位置，而两边亦要够阔令操纵者有效地取得平冲。

## 对独轮车的观点

### 技术发展史

独轮车组成一个特别的研究目标，亦是一个对技术史的批评思考的好论题。此物件可能担当一个比表面上更为重要的角色，令铁路、水路航道及田地的工作更为容易。从16世纪以来，城市的建造者对因为在季节性影响下的农村劳动力定期失业感兴趣，从而令他们在家工作并发展成纺织工业的一部分。独轮车亦参与在其中，用作羊毛梳理工、纺纱工人、织布工运送货物，例如法国图尔宽（Tourcoing）的居民便会用独轮车（Broutteux）作为该城市的绰号。

### 经济学

独轮车的发明被普遍视为一个生产函数的转变。由卡尔·马克思至约翰·希克斯，对于独轮车的出现究竟是资本经济还是劳动力经济经过长期的讨论。一个支持后者的论点为人类有倾向去发展技术方法去避免麻烦，以上理论为迂回效果（Roundaboutness）。对独轮车的哲学分析则相反，虽然纯粹为推测但亦无任何错误。但亦给与资本经济及团体进步的一个中肯的评价。

## 有关独轮车的其他

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### 独轮车作为象征

皮特凯恩群岛的国徽及国旗有独轮车的图案。

### 儿童的游戏

- 推车赛跑（Wheelbarrow race），由两人分别扮演操纵者及独轮车的角色，扮演操纵者的握着扮演独轮车的足踝，而扮演独轮车的则用双手行走。
- 独轮车竞赛，由一个人推著真正的独轮车，而独轮车上载有人或其他负载，并推行一段路程。部分地方会举行此竞赛，例如有独轮车之都之称的法国旺代省的萨里尼（Saligny, Vendée）。
- 独轮车亦会被制成年少儿童的玩具。

### 装饰

独轮车被普遍使用在园林装饰中，最常见是盆栽。她们由普通的独轮车开始，在失去功能时便循环再用成为此用途。但因为其成功，引发了一个专门为装饰或奇异的独轮车便应运而生，有精细手工的、有藤制 的及加工铁制等。

## 参考资料

- M. J. T. Lewis, "The Origins of the Wheelbarrow," Technology and Culture, Vol. 35, No. 3. (Jul., 1994), pp. 453–475
- Andrea L. Matthies, "The Medieval Wheelbarrow," Technology and Culture, Vol. 32, No. 2, Part 1. (Apr., 1991), pp. 356–364
- Needham, Joseph (1986). Science and Civilization in China: Volume 4, Physics and Physical Technology, Part 2, Mechanical Engineering. Taipei: Caves Books Ltd.
- Bertrand Gille, « Petites questions et grands problèmes : la brouette, » La Recherche en histoire des sciences, 1983, ISBN 2-02-006595-9.
- Sous la direction de Bertrand Gille, « Histoire des techniques, » La Pléiade, 1978.ISBN 978-2-07-010881-7
- M. J. T. Lewis, “The Origins of the Wheelbarrow”, Technology and Culture, Vol.35, No.3. (Jul. 1994), pp. 453–475.
- « Le Génie de la Chine, » Éditions Philippe Picquier, ISBN 2-87730-511-2.