Представьте, что вы медник в юго-восточной Европе в 3900 году до нашей эры. День за днём вы тащите медную руду по душным туннелям шахты. Вы смирились с изнурительной монотонностью шахтёрской жизни. И вот однажды вы становитесь свидетелем того, как ваш коллега делает нечто удивительное.
С помощью странного на вид приспособления он легко перевозит груз, втрое превышающий его собственный вес, за один рейс. Когда он возвращается в шахту за новой порцией руды, вам вдруг приходит в голову, что ваша профессия скоро станет гораздо менее утомительной и гораздо более прибыльной.
Чего вы не осознаёте: вы становитесь свидетелем того, что изменит ход истории — не только для вашего крошечного шахтёрского сообщества, но и для всего человечества.
Теория о происхождении колеса
Несмотря на огромное влияние колеса, никто не знает наверняка, кто его изобрёл, когда и где оно впервые появилось.
Гипотетическая теория, описанная выше, основана на исследовании 2015 года, согласно которому медники в Карпатах — на территории современной Венгрии — впервые изобрели колесо почти 6000 лет назад для транспортировки медной руды.
Археологи, работающие в этом регионе, обнаружили более 150 миниатюрных повозок. Эти четырёхколёсные модели были сделаны из глины, а на их внешних поверхностях был выгравирован узор, напоминающий плетение корзин, которое использовалось шахтёрскими общинами в то время. Углеродное датирование показало, что эти повозки — самые ранние известные изображения колёсного транспорта на сегодняшний день.
Эта теория также поднимает вопрос, особенно интересный мне, как аэрокосмическому инженеру, изучающему науку инженерного проектирования: как малоизвестное, научно неграмотное шахтёрское общество открыло колесо, когда высокоразвитые цивилизации, такие как древние египтяне, этого не сделали?
Спорная идея
Долгое время считалось, что колёса произошли от простых деревянных роликов. Но до недавнего времени никто не мог объяснить, как и почему произошла эта трансформация. Более того, начиная с 1960-х годов, некоторые исследователи стали выражать серьёзные сомнения в теории о происхождении колеса от роликов.
Для того чтобы ролики были полезны, им нужна ровная, твёрдая местность и путь, свободный от уклонов и резких поворотов. Кроме того, после того как тележка проедет, использованные ролики необходимо постоянно подводить к передней части очереди, чтобы груз продолжал двигаться. По всем этим причинам древние люди использовали ролики редко. Согласно скептикам, ролики были слишком редкими и слишком непрактичными, чтобы быть отправной точкой для эволюции колеса.
Но шахта с её замкнутыми, созданными человеком проходами могла бы обеспечить благоприятные условия для роликов. Этот фактор, среди прочих, заставил мою команду пересмотреть гипотезу о роликах.
Переломный момент
Переход от роликов к колёсам требует двух ключевых инноваций. Первая — это модификация тележки, которая перевозит груз. Основание тележки должно быть оснащено полукруглыми гнездами, в которых удерживаются ролики. Таким образом, когда оператор тянет тележку, ролики тянутся вместе с ней.
Это нововведение могло быть мотивировано замкнутым характером шахтёрской среды, где периодическая переноска использованных роликов обратно к передней части тележки была бы особенно обременительной.
Открытие сочленённых роликов стало поворотным моментом в эволюции колеса и проложило путь для второй и наиболее важной инновации. Этот следующий шаг включал изменение самих роликов. Чтобы понять, как и почему это произошло, мы обратились к физике и компьютерному проектированию.
Моделирование эволюции колеса
Чтобы начать наше исследование, мы создали компьютерную программу, предназначенную для моделирования эволюции от ролика до колеса. Наша гипотеза заключалась в том, что эта трансформация была обусловлена явлением, называемым «механическим преимуществом». Тот же принцип позволяет плоскогубцам усиливать силу захвата пользователя, обеспечивая дополнительное плечо рычага. Аналогично, если мы сможем изменить форму ролика, чтобы создать механическое преимущество, это усилит силу толкания пользователя, облегчив продвижение тележки.
Наш алгоритм работал путём моделирования сотен потенциальных форм роликов и оценки того, как каждая из них работает, как с точки зрения механического преимущества, так и с точки зрения прочности конструкции. Последнее использовалось для определения того, сломается ли данный ролик под весом груза. Как и было предсказано, алгоритм в конечном итоге сошёлся на знакомой форме колеса и оси, которая была определена как оптимальная.
Компьютерное моделирование эволюции от ролика до конструкции с колёсами и осью. Каждое изображение представляет собой проект, оценённый алгоритмом. Поиск в конечном итоге сходится на знакомой конструкции с колёсами и осью.
Во время выполнения алгоритма каждый новый проект работал немного лучше, чем его предшественник. Мы полагаем, что аналогичный эволюционный процесс происходил с шахтёрами 6000 лет назад.
Неясно, что изначально побудило шахтёров исследовать альтернативные формы роликов. Одна из возможностей заключается в том, что трение в месте соединения ролика и гнезда приводило к износу окружающего дерева, что приводило к небольшому сужению ролика в точке контакта. Другая теория заключается в том, что шахтёры начали истончать ролики, чтобы их тележки могли преодолевать небольшие препятствия на земле.
В любом случае благодаря механическому преимуществу сужение области оси облегчило толкание тележек. Со временем более эффективные конструкции стали предпочтительнее других, и новые ролики изготавливались по образцу этих лидеров.
Следовательно, ролики становились всё более и более узкими, пока не остался только тонкий стержень, увенчанный с обоих концов большими дисками. Эта рудиментарная структура знаменует рождение того, что мы теперь называем «колесом».
Согласно нашей теории, не было точного момента, когда было изобретено колесо. Скорее, подобно эволюции видов, колесо возникло постепенно в результате накопления небольших улучшений.
Это лишь одна из многих глав в долгой и продолжающейся эволюции колеса. Более чем через 5000 лет после вклада карпатских шахтёров парижский велосипедный механик изобрёл радиальные шарикоподшипники, которые в очередной раз произвели революцию в колёсном транспорте.
По иронии судьбы шарикоподшипники концептуально идентичны роликам, предшественникам эволюции колеса. Шарикоподшипники образуют кольцо вокруг оси, создавая поверхность качения между осью и ступицей колеса, тем самым уменьшая трение. Благодаря этому нововведению эволюция колеса прошла полный круг.
Этот пример также показывает, как эволюция колеса, подобно его культовой форме, идёт по извилистому пути — без чёткого начала, конца и бесчисленных тихих революций на этом пути.
Кай Джеймс, профессор аэрокосмической инженерии, Технологический институт Джорджии.
Эта статья была опубликована в The Conversation под лицензией Creative Commons. Читайте оригинальную статью.