عجلة

العجلة هي عنصر دوار (عادةً ما يكون دائري الشكل) مصمم للدوران على محور . تُعد العجلة أحد المكونات الرئيسية للعجلة والمحور ، وهما من الآلات البسيطة الست . تسمح العجلات، بالاشتراك مع المحاور، بتحريك الأجسام الثقيلة بسهولة، مما يُسهل النقل، ودعم الأحمال، وأداء العمل في الآلات. تُستخدم العجلات أيضًا لأغراض أخرى، مثل عجلة قيادة السفينة ، وعجلة التوجيه ، وعجلة الخزاف ، وعجلة التوازن .

توجد أمثلة شائعة في تطبيقات النقل . تقلل العجلة الاحتكاك بتسهيل الحركة عن طريق التدحرج مع المحاور . ولكي تدور العجلة، يجب تطبيق عزم عليها حول محورها، إما بفعل الجاذبية أو بتطبيق قوة خارجية أخرى أو عزم دوران .

كلمة " wheel" الإنجليزية مشتقة من الكلمة الإنجليزية القديمة "hwēol" ، من الكلمة الجرمانية البدائية " * hwehwlaz" ، من الكلمة الهندية الأوروبية البدائية "*kwékwlos" ، [ ^{1 ]} وهي ^{صيغة موسعة من} الجذر "* kwel- " بمعنى " يدور، يتحرك " . وتشمل الكلمات المشابهة في اللغات الهندية الأوروبية الكلمة الأيسلندية " hjól ^" بمعنى " عجلة، إطار " ، والكلمة اليونانية " κύκλος " بمعنى " kúklos "، والكلمة السنسكريتية "chakra "، وكلتاهما تعنيان " دائرة " أو " عجلة " . ^{[ 2 ]}

لا شك أن العجلة تطورت من استخدام بكرات (جذوع أشجار مستديرة) في عصور ما قبل التاريخ لنقل أجسام أثقل مثل ألواح الصخور وجذوع الأشجار الكبيرة. يعود اختراع العجلة الخشبية الصلبة (قرص على محور) إلى أواخر العصر الحجري الحديث، ويمكن ربطه بتطورات تكنولوجية أخرى أدت إلى ظهور العصر البرونزي المبكر . وهذا يعني مرور آلاف السنين دون استخدام العجلات حتى بعد اختراع الزراعة والفخار ، خلال العصر الحجري الحديث الذي سبق اختراع الفخار .

• 4500-3300  قبل الميلاد ( العصر النحاسي ): اختراع دولاب الخزاف ؛ أقدم العجلات الخشبية الصلبة (أقراص بها ثقب للمحور)؛ أقدم المركبات ذات العجلات
• 3300–2200  قبل الميلاد ( العصر البرونزي المبكر )
• 2200-1550  قبل الميلاد ( العصر البرونزي الوسيط ): اختراع العجلة ذات القضبان والعربة ؛ تدجين الحصان

يُنسب أحيانًا إلى حضارة حلف ( 6500-5100  قبل الميلاد) أقدم تصوير لمركبة ذات عجلات، لكن لا يوجد دليل على استخدام الحلفيين لمركبات ذات عجلات أو عجلات فخارية. ^{[ 3 ]} يُعتقد أن عجلات الفخار استُخدمت في الألفية الرابعة قبل الميلاد في الشرق الأوسط. ^{[ 4 ]} يُعتقد أن أقدم مثال باقٍ لعجلة فخارية عُثر عليه في أور ( العراق حاليًا ) ويعود تاريخه إلى حوالي 3100  قبل الميلاد. ^{[ 5 ]} مع ذلك، فإن عجلة فخارية عُثر عليها في غرب أوكرانيا ، من حضارة كوكوتيني-تريبيلية ، تعود إلى منتصف الألفية الخامسة قبل الميلاد، أي قبل أقدم استخدام لعجلة الفخار في بلاد ما بين النهرين. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} عُثر على عجلات ذات تواريخ غير مؤكدة في حضارة وادي السند التي تعود إلى أواخر الألفية الرابعة قبل الميلاد، والتي تغطي مناطق من الهند وباكستان الحديثة . ^{[ 12 ]}

عُثر على أقدم دليل غير مباشر على استخدام العجلات في شكل عجلات طينية مصغرة شمال البحر الأسود قبل عام 4000  قبل الميلاد. ومنذ منتصف الألفية الرابعة قبل الميلاد فصاعدًا، تكثفت الأدلة في جميع أنحاء أوروبا على شكل سيارات ألعاب، ورسومات، وآثار عجلات، مع أقدم اكتشاف في شمال ألمانيا يعود تاريخه إلى حوالي عام 3400  قبل الميلاد. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} وفي بلاد ما بين النهرين ، عُثر على رسومات لعربات ذات عجلات على ألواح طينية في منطقة إيانا بمدينة أوروك ، في الحضارة السومرية، ويعود تاريخها إلى حوالي 3500-3350 قبل الميلاد. ^{[ 16 ]} وفي النصف الثاني من الألفية الرابعة قبل الميلاد، ظهرت أدلة على استخدام المركبات ذات العجلات بشكل متزامن تقريبًا في شمال ( ثقافة مايكوب ) وجنوب القوقاز وشرق أوروبا (ثقافة كوكوتيني-تريبيلية).    

ظهرت رسومات لمركبة ذات عجلات بين عامي 3631 و3380  قبل الميلاد في إناء برونوسيتسه الطيني الذي تم التنقيب عنه في مستوطنة تابعة لثقافة الفخار القمعي في جنوب بولندا . ^{[ 17 ]} وفي أولسانيتسا المجاورة ، تم بناء باب بعرض 2.2  متر لدخول العربات؛ وكان هذا الحظيرة  بطول 40 مترًا بثلاثة أبواب، ويعود تاريخه إلى 5000 قبل الميلاد، وينتمي إلى ثقافة الفخار الخطي في العصر الحجري الحديث . أما الدليل الباقي على وجود عجلة ومحور، من ستاري غماين بالقرب من ليوبليانا في سلوفينيا ( عجلة ليوبليانا مارشيز الخشبية )، فيعود تاريخه ضمن انحرافين معياريين إلى 3340-3030 قبل الميلاد، بينما يعود تاريخ المحور إلى 3360-3045 قبل الميلاد. ^{[ 18 ]} يُعرف نوعان من العجلات والمحاور الأوروبية في العصر الحجري الحديث المبكر: نوعٌ من العربات يُشبه عربات جبال الألب (حيث تدور العجلة والمحور معًا، كما في عجلة مستنقعات ليوبليانا)، ونوعٌ آخر من ثقافة بادن في المجر (حيث لا يدور المحور). ويعود تاريخ كلا النوعين إلى حوالي 3200-3000 قبل الميلاد. ^{[ 19 ]} يعتقد بعض المؤرخين أن المركبات ذات العجلات انتشرت من الشرق الأدنى إلى أوروبا في منتصف الألفية الرابعة قبل الميلاد تقريبًا. ^{[ 20 ]}     

كانت العجلات الأولى عبارة عن أقراص خشبية بسيطة بها ثقب للمحور. صُنعت بعض أقدم العجلات من شرائح أفقية من جذوع الأشجار. ونظرًا لعدم انتظام بنية الخشب ، فإن العجلة المصنوعة من شريحة أفقية من جذع شجرة تميل إلى أن تكون أقل جودة من تلك المصنوعة من قطع مستديرة من ألواح خشبية طولية.

اختُرعت العجلة ذات القضبان في وقتٍ لاحق، مما أتاح بناء مركبات أخف وزنًا وأسرع. تعود أقدم الأمثلة المعروفة للعجلات الخشبية ذات القضبان إلى حضارة سينتاشتا ، ويعود تاريخها إلى  حوالي 2000  قبل الميلاد ( بحيرة كريفووي ). بعد ذلك بوقت قصير، استخدمت حضارات الخيول في منطقة القوقاز عربات حربية ذات عجلات تجرها الخيول لما يقارب ثلاثة قرون. توغلت هذه العربات في عمق شبه الجزيرة اليونانية، حيث اندمجت مع شعوب البحر الأبيض المتوسط ​​القائمة آنذاك، لتُشكّل في نهاية المطاف اليونان الكلاسيكية بعد انهيار الهيمنة المينوية وتوحيد حضارات إسبرطة وأثينا في العصور ما قبل الكلاسيكية . أدخلت العربات السلتية إطارًا حديديًا حول العجلة في الألفية الأولى قبل الميلاد .  

 في الصين، عُثر على آثار عجلات تعود إلى حوالي 2200 قبل الميلاد في بينغليانغتاي، أحد مواقع حضارة لونغشان . ^{[ 21 ]} كما عُثر على آثار مماثلة في يانشي ، وهي مدينة تابعة لحضارة إرليتو ، ويعود تاريخها إلى حوالي 1700 قبل الميلاد. أما أقدم دليل على وجود عجلات ذات قضبان في الصين فيأتي من تشينغهاي ، على شكل محورين لعجلتين من موقع يعود تاريخه إلى ما بين 2000 و1500  قبل الميلاد. ^{[ 22 ]} وقد وصلت المركبات ذات العجلات إلى الصين من الغرب. ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}

في بريطانيا، تم اكتشاف عجلة خشبية كبيرة، يبلغ قطرها حوالي متر واحد (3.3 قدم) ، في موقع ماست فارم في شرق أنجليا عام 2016. وتُعد هذه العجلة، التي يعود تاريخها إلى الفترة ما بين 1100 و800 قبل الميلاد، أقدم وأكمل نموذج من نوعها تم العثور عليه في بريطانيا. كما عُثر على محور العجلة. ويشير وجود عمود فقري لحصان بالقرب منها إلى أن العجلة ربما كانت جزءًا من عربة تجرها الخيول. وقد عُثر على العجلة في مستوطنة مبنية على ركائز فوق أرض رطبة، مما يدل على أن المستوطنة كانت على صلة ما باليابسة. ^{[ 26 ]}   

على الرغم من أن استخدام العجلات على نطاق واسع لم يحدث في الأمريكتين قبل وصول الأوروبيين ، فقد عُثر على العديد من القطع الأثرية الصغيرة ذات العجلات، والتي صُنفت على أنها ألعاب أطفال، في مواقع أثرية مكسيكية، يعود تاريخ بعضها إلى حوالي 1500  قبل الميلاد. ^{[ 27 ]} يرى البعض أن العائق الرئيسي أمام التطور الواسع للعجلة في الأمريكتين كان غياب الحيوانات الكبيرة المستأنسة التي يمكن استخدامها لجر العربات ذات العجلات. ^{[ 28 ]} يُعدّ البيسون الأمريكي ، أقرب الحيوانات صلةً بالماشية في الأمريكتين قبل وصول كولومبوس، صعب الاستئناس، ولم يستأنسه السكان الأصليون للأمريكتين قط؛ بينما وُجدت عدة أنواع من الخيول حتى حوالي 12000 عام مضت، لكنها انقرضت في نهاية المطاف. ^{[ 29 ]} لم يكن حيوان اللاما ، وهو حيوان حمل، الحيوان الكبير الوحيد الذي تم تدجينه في نصف الكرة الغربي، مناسبًا جسديًا لاستخدامه كحيوان جر لسحب المركبات ذات العجلات، ^{[ 30 ]} ولم ينتشر استخدام اللاما بعيدًا عن جبال الأنديز بحلول وقت وصول الأوروبيين.

من جهة أخرى، لم يطور سكان أمريكا الوسطى العربة اليدوية ، ولا دولاب الخزاف، ولا أي أداة عملية أخرى مزودة بعجلة أو عجلات. ^{[ 31 ] [ 32 ]} ورغم أن العجلة كانت جزءًا من عدة ألعاب، تشبه إلى حد كبير تلك الموجودة في جميع أنحاء العالم والتي لا تزال تُصنع للأطفال ("ألعاب السحب")، ^{[ 31 ] [ 32 ]} إلا أنها لم تُستخدم عمليًا في أمريكا الوسطى قبل القرن السادس عشر. ^{[ 31 ] [ 32 ]} ولعل أقرب ما وصل إليه المايا إلى العجلة العملية هو المغزل ، ويعتقد بعض الباحثين أن هذه الألعاب صُنعت في الأصل باستخدام المغازل وعصي المغازل كـ"عجلات" و"فؤوس". ^{[ 32 ]}

استخدم السكان الأصليون الأستراليون تقليديًا أقراصًا دائرية تُدحرج على الأرض للتدريب على الرماية. ^{[ 33 ]}

استخدم النوبيون، منذ حوالي عام 400  قبل الميلاد، العجلات في غزل الفخار وكعجلات مائية . ^{[ 34 ]} ويُعتقد أن العجلات المائية النوبية ربما كانت تُدار بواسطة الثيران. ^{[ 35 ]} ومن المعروف أيضًا أن النوبيين استخدموا عربات تجرها الخيول مستوردة من مصر . ^{[ 36 ]}

ابتداءً من القرن الثامن عشر في غرب أفريقيا، استُخدمت المركبات ذات العجلات في الغالب لأغراض احتفالية في أماكن مثل داهومي . ^{[ 37 ]} ونادرًا ما استُخدمت العجلة في النقل، باستثناء إثيوبيا والصومال في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، حتى وقت متأخر من القرن التاسع عشر. ^{[ 38 ] [ 37 ]}

استمر استخدام العجلات ذات الأسلاك دون تعديلات جوهرية حتى سبعينيات القرن التاسع عشر، حين تم اختراع العجلات ذات الأسلاك والإطارات الهوائية . ^{[ 39 ]} تُقلل الإطارات الهوائية بشكل كبير من مقاومة التدحرج وتُحسّن الراحة. تتعرض الأسلاك للشد، لا للضغط، مما يجعل العجلة صلبة وخفيفة في آنٍ واحد. أدت العجلات السلكية ذات الأسلاك الشعاعية المبكرة إلى ظهور العجلات السلكية ذات الأسلاك المماسية، والتي شاع استخدامها في السيارات حتى أواخر القرن العشرين. تُستخدم عجلات السبائك المصبوبة بشكل أكثر شيوعًا، بينما تُستخدم عجلات السبائك المطروقة عندما يكون الوزن عاملاً حاسمًا.

كان لاختراع العجلة أهمية بالغة في مجال التكنولوجيا عمومًا، ومن تطبيقاتها المهمة: عجلة الماء، والترس (انظر أيضًا آلية أنتيكيثيرا )، وعجلة الغزل ، والإسطرلاب أو التوركتوم . ومن بين التطبيقات الحديثة للعجلة: المروحة ، والمحرك النفاث ، وعجلة الموازنة ( الجيروسكوب ) ، والتوربين .

تتطلب المركبة ذات العجلات جهدًا أقل بكثير لتحريكها مقارنةً بسحب نفس الوزن. يُعزى انخفاض مقاومة الحركة إلى أن جهد الاحتكاك المبذول لم يعد على السطح الذي تسير عليه المركبة، بل في المحامل . في أبسط الحالات وأقدمها، يكون المحمل مجرد ثقب دائري يمر من خلاله المحور ( محمل انزلاقي ). حتى مع المحمل الانزلاقي، ينخفض ​​جهد الاحتكاك بشكل كبير للأسباب التالية:

• تكون القوة العمودية عند سطح الانزلاق مماثلة لتلك الموجودة في حالة السحب البسيط.
• يتم تقليل مسافة الانزلاق لمسافة سفر معينة.
• عادة ما يكون معامل الاحتكاك عند السطح الفاصل أقل.

مثال:

• إذا تم سحب جسم كتلته 100  كجم لمسافة 10 أمتار على طول سطح بمعامل احتكاك μ  = 0.5، فإن القوة العمودية هي 981 نيوتن والشغل المبذول ( الطاقة المطلوبة ) هو (الشغل = القوة × المسافة) 981 × 0.5 × 10  = 4905 جول .
• الآن، لنفترض أن الجسم مزود بأربع عجلات. القوة العمودية بين العجلات الأربع والمحاور متساوية (إجمالاً) وتساوي 981 نيوتن. بافتراض أن معامل الاحتكاك للخشب يساوي 0.25، وأن قطر  العجلة 1000 مم وقطر المحور 50 مم، فبينما يتحرك الجسم مسافة 10 أمتار، تنزلق أسطح الانزلاق فوق بعضها مسافة 0.5 متر فقط. الشغل المبذول هو 981 × 0.25 × 0.5 = 123 جول؛ وهذا يعادل 1/40 من الشغل المبذول في السحب.   

تُفقد طاقة إضافية من منطقة التلامس بين العجلة والطريق. يُطلق على هذا اسم مقاومة التدحرج ، وهي في الأساس فقد ناتج عن التشوه. وتعتمد هذه المقاومة على طبيعة الأرض، ومادة العجلة، ومستوى ضغط الهواء في الإطار، وعزم الدوران الصافي الذي يولده المحرك، والعديد من العوامل الأخرى.

يمكن للعجلة أيضًا أن توفر مزايا عند اجتياز الأسطح غير المنتظمة إذا كان نصف قطرها كبيرًا بما يكفي بالنسبة إلى عدم انتظامها.

العجلة وحدها ليست آلة، ولكن عند تثبيتها على محور مع محمل، فإنها تُشكّل العجلة والمحور ، وهما من الآلات البسيطة . تُعدّ العجلة المُدارة مثالاً على العجلة والمحور. وقد سبقت العجلات العجلات المُدارة بحوالي 6000 عام، والتي كانت بدورها تطوراً لاستخدام جذوع الأشجار المستديرة كبكرات لنقل الأحمال الثقيلة، وهي ممارسة تعود إلى عصور ما قبل التاريخ لدرجة أنه لم يتم تحديد تاريخها.

على الرغم من شيوع استخدام العجلات في النقل البري، إلا أن هناك بدائل، بعضها مناسب للتضاريس التي لا تُجدي فيها العجلات نفعاً. تشمل الطرق البديلة للنقل البري بدون عجلات ما يلي:

أصبحت العجلة استعارة ثقافية وروحية قوية للدلالة على الدورات والتكرار المنتظم (انظر الشاكرا ، والتناسخ ، والين واليانغ ، وغيرها). ولهذا السبب، ونظرًا لصعوبة التضاريس، مُنعت المركبات ذات العجلات في التبت القديمة . أما في الصين القديمة، فتُعتبر العجلة رمزًا للصحة والقوة، وتستخدمها بعض القرى كأداة للتنبؤ بالصحة والنجاح في المستقبل. ويُعد قطر العجلة مؤشرًا على صحة الفرد في المستقبل. كما تُعد عجلة كالاتشاكرا ، أو عجلة الزمن، موضوعًا في بعض مذاهب البوذية ، إلى جانب عجلة دارماشاكرا . ^{[ 45 ] [ 46 ]}

تُعدّ العجلة المجنحة رمزًا للتقدم، وتظهر في العديد من السياقات، بما في ذلك شعار النبالة في بنما ، وشعار دوريات الطرق السريعة في ولاية أوهايو ، وشعار سكك حديد تايلاند . كما تُشكّل العجلة رمزًا بارزًا على علم الهند ، حيث تُمثّل القانون ( الدارما ). وتظهر أيضًا في علم شعب الروما ، مُشيرةً إلى تاريخهم البدوي وأصولهم الهندية.

استخدم الراهب دوروثيوس الغازي، الذي عاش في القرن السادس الميلادي، صورة العجلة المسننة لشرح كيفية عمل أخلاقيات الترابط القائمة على الرحمة: فمن يقترب من الله يقترب من الناس، والعكس صحيح. ^{[ 47 ] [ 48 ]} وفي أوروبا في العصور الوسطى، هدفت عجلة الحظ إلى إظهار الطبيعة الزائلة والعابرة، بل والوهمية تقريبًا، للسلطة، حيث قد يهبط الشخص الذي بلغ القمة مجددًا مع دوران العجلة. ^{[ 49 ]}

يبدو أن إدخال العجلات ذات القضبان ( عجلات العربات ) في العصر البرونزي الوسيط قد حظي بمكانة مرموقة. ويبدو أن للصليب الشمسي دلالة في ديانة العصر البرونزي ، إذ حلّ محل المفهوم السابق للمركبة الشمسية بالعربة الشمسية الأكثر حداثة وتطورًا من الناحية التكنولوجية . كما كانت العجلة رمزًا شمسيًا لدى المصريين القدماء . ^{[ 50 ]}

في الاستخدام الحديث، يمكن اعتبار "اختراع العجلة" رمزًا لإحدى التقنيات الأولى للحضارة المبكرة، إلى جانب الزراعة والأعمال المعدنية، وبالتالي يمكن استخدامه كمعيار لتقييم مستوى التقدم المجتمعي.

وقد تبنى بعض أتباع الوثنية الجديدة ، مثل أتباع الويكا، مفهوم عجلة السنة في ممارساتهم الدينية. ^{[ 51 ]}

• الأنواع : عجلة من سبيكة معدنية ، عجلة مدفعية ، وحدة نقل كروية ، عجلة دراجة ، عجلة دوارة، عجلة مسننة ، عجلة دريدنوت ، عجلة قيادة، دولاب موازنة ، عجلة بدون محور ، عجلة تزلج مضمنة ، عجلة مانسيل ، عجلة ميكانوم ، عجلة دراجة نارية ، عجلة أومني ، عجلة درابزين ، عجلة فولاذية مضغوطة ، عجلة لوح تزلج ، عجلة مربعة ، عجلة صعود الدرج ، عجلة قيادة ( عجلة سفينة )، عجلة قطار ، عجلة تويل ، عجلة عربة ، عجلة سلكية
• المكونات : المحور ، العربة / الشاحنة ، الترس التفاضلي ، عمود الدوران ، نظام نقل الحركة ، الجنط ، سلاسل الثلج ، الأسلاك ، الإطار ، مجموعة العجلات
• التقنيات والمفاهيم ذات الصلة : لولب أرخميدس ، البرميل ، عجلة التكسير ، عجلة الألوان ، القرص المضغوط ، عجلة فيريس ، عجلة الفخار ، المروحة ، إعادة اختراع العجلة ، قرص المغزل ، كرة التتبع ، تأثير عجلة العربة ، عجلة الماء ، عربة اليد ، رفع العجلة الأمامية ، عجلة الحظ ، صانع العجلات ، الرافعة ، طاحونة الهواء
• البدائل : وسادة هوائية ، مسار متصل ، براغي دوارة عكسية ، آلية أرجل ، رفع مغناطيسي ، تأثير الجناح في الأرض
• التاريخ : تاريخ العجلة في أفريقيا ، الحصان والعجلة واللغة ، الحركة الدورانية في الأنظمة الحية ، الحركة الأرضية عند الحيوانات: التدحرج ، حركة الروبوتات
• النظرية : مقاومة التدحرج ، الطاقة الدورانية ، عزم الدوران ، العجلة والمحور (آلة بسيطة) ، تحديد حجم العجلة

• جامعة كيل. " 3400 قبل الميلاد: أقدم دليل على استخدام العجلة والعربة يعود إلى شمال ألمانيا ". نُشر إلكترونيًا: 11 أبريل 2022. تاريخ الاطلاع: 14 أبريل 2022.