Уявіть, що ви мідний шахтар у південно-східній Європі у 3900 році до нашої ери. День за днем ви тягнете мідну руду через розпечені тунелі шахти. Ви змирилися з виснажливою монотонністю шахтарського життя. Потім одного дня ви стаєте свідком того, як ваш колега робить щось неймовірне.
За допомогою дивного на вигляд пристрою він недбало перевозить вантаж, еквівалентний втричі більшій вазі за власне тіло, за одну поїздку. Коли він повертається до шахти, щоб забрати черговий вантаж, до тебе раптом доходить усвідомлення, що обрана тобою професія ось-ось стане набагато менш виснажливою та набагато прибутковішою. Чого ви не усвідомлюєте: ви спостерігаєте за тим, що змінить хід історії – не лише для вашої крихітної шахтарської громади, а й для всього людства.
Незважаючи на незмірний вплив колеса, ніхто не знає точно, хто його винайшов, або коли і де воно вперше було задумано. Гіпотетичний сценарій, описаний вище, базується на теорії 2015 року, згідно з якою шахтарі в Карпатських горах – на території сучасної Угорщини – вперше винайшли колесо майже 6000 років тому як засіб для транспортування мідної руди.
Цю теорію підтверджує відкриття понад 150 мініатюрних возів археологами, які працювали в цьому регіоні. Ці чотириколісні моделі розміром з пінту були зроблені з глини, а їхні зовнішні поверхні були вигравірувані плетеним візерунком, що нагадує плетіння кошиків, яке використовували шахтарські громади того часу.
Пізніше радіовуглецевий аналіз показав, що ці вози є найдавнішими відомими на сьогодні зображеннями колісного транспорту. Ця теорія також порушує питання, яке особливо цікавить мене, інженера-аерокосмічного інженера, який вивчає науку інженерного проектування. Як маловідоме, науково наївне гірничодобувне суспільство відкрило колесо, коли високорозвинені цивілізації, такі як стародавні єгиптяни, цього не зробили?
Суперечлива ідея
Довгий час вважалося, що колеса еволюціонували від простих дерев’яних роликів. Але донедавна ніхто не міг пояснити, як або чому відбулася ця трансформація. Щобільше, починаючи з 1960-х років деякі дослідники почали висловлювати сильні сумніви щодо теорії перетворення роликів на колеса. Зрештою, для того, щоб ролики були корисними, їм потрібна рівна, тверда місцевість і шлях без схилів і різких поворотів. Крім того, як тільки візок проїжджає повз них, використані ролики потрібно постійно підвозити на передню частину лінії, щоб вантаж рухався.
З усіх цих причин у стародавньому світі ролики використовувалися економно. На думку скептиків, ролики були надто рідкісними та надто непрактичними, щоб стати відправною точкою для еволюції колеса. Але шахта – з її закритими, створеними людиною проходами – забезпечила б сприятливі умови для вальців. Цей фактор, серед інших, змусив мою команду переглянути гіпотезу про вальці.
Поворотний момент
Перехід від роликів до коліс вимагає двох ключових нововведень. Перше – це модифікація візка, який перевозить вантаж. Основа візка має бути оснащена напівкруглими гніздами, які утримують ролики на місці. Таким чином, коли оператор тягне візок, ролики тягнуться разом з ним. Це нововведення, можливо, було зумовлене обмеженим простором шахти, де періодичне перенесення використаних роликів назад до передньої частини візка було б особливо обтяжливим.
Відкриття роликів з гніздом стало поворотним моментом в еволюції колеса та проклало шлях для другого та найважливішого нововведення. Наступний крок передбачав зміну самих роликів. Щоб зрозуміти, як і чому відбулася ця зміна, ми звернулися до фізики та автоматизованої інженерії.
Моделювання еволюції колеса
Щоб розпочати наше дослідження, ми створили комп’ютерну програму, призначену для моделювання еволюції від ролика до колеса. Наша гіпотеза полягала в тому, що ця трансформація була зумовлена явищем під назвою «механічна перевага». Цей самий принцип дозволяє плоскогубцям посилювати силу хвата користувача, забезпечуючи додатковий важіль. Аналогічно, якби ми могли змінити форму ролика для створення механічної переваги, це посилило б силу натискання користувача, що полегшило б просування візка.
Наш алгоритм працював, моделюючи сотні потенційних форм роликів та оцінюючи, як кожна з них працює, як з погляду механічних переваг, так і з погляду структурної міцності. Останній використовувався для визначення того, чи зламається даний ролик під вагою вантажу. Як і передбачалося, алгоритм зрештою зійшовся до знайомої форми колеса та осі, яку він визнав оптимальною.
Під час виконання алгоритму кожна нова конструкція працювала трохи краще, ніж попередня. Ми вважаємо, що подібний еволюційний процес відбувався з шахтарями 6000 років тому. Незрозуміло, що спочатку спонукало шахтарів дослідити альтернативні форми роликів. Одна з можливостей полягає в тому, що тертя на межі між роликом та гніздом призвело до зношування навколишньої деревини, що призвело до незначного звуження ролика в точці контакту. Інша теорія полягає в тому, що шахтарі почали проріджувати катки, щоб їхні візки могли долати невеликі перешкоди на землі.
У будь-якому разі, завдяки механічній перевазі, це звуження області осі полегшило штовхання візків. З плином часу кращі конструкції постійно отримували перевагу над іншими, і нові ролики створювалися, щоб імітувати ці найкращі моделі. Внаслідок цього ролики ставали дедалі вужчими, аж поки не залишився лише тонкий брусок, увінчаний з обох кінців великими дисками. Ця рудиментарна структура знаменує собою народження того, що ми зараз називаємо «колесом».
Згідно з нашою теорією, не було точного моменту винаходу колеса. Швидше, як і еволюція видів, колесо виникло поступово в результаті накопичення невеликих удосконалень. Це лише один із багатьох розділів довгої та безперервної еволюції колеса. Через понад 5000 років після внеску карпатських шахтарів паризький велосипедний механік винайшов радіальні кулькові підшипники, які знову революціонізували колісний транспорт.
За іронією долі, кулькові підшипники концептуально ідентичні роликам, еволюційним попередникам колеса. Кулькові підшипники утворюють кільце навколо осі, створюючи поверхню кочення між віссю та маточиною колеса, тим самим уникаючи тертя. З цією інновацією еволюція колеса завершила повне коло. Цей приклад також показує, як еволюція колеса, подібно до його культової форми, проходить звивистий шлях – без чіткого початку, без кінця та з незліченними тихими обертами на цьому шляху.
