輪子的發(fā)明可能是為了解決一個令人驚訝的問題

想象一下，您是公元前 3900 年東南歐的一名銅礦工。日復(fù)一日，您通過礦區(qū)悶熱的隧道運輸銅礦石。

您已經(jīng)接受了艱苦單調(diào)的采礦生活。然后有一天下午，你目睹了一位同事做了一件了不起的事情。

他帶著一個看起來很奇怪的裝置，隨便一次運輸相當于他體重三倍的東西。當他回到礦井取另一批貨物時，你突然意識到你選擇的職業(yè)即將變得不那么費力，而且利潤更高。

你沒有意識到的是：你正在見證一些將改變歷史進程的事情——不僅為了你的小采礦社區(qū)，而且為了全人類。

盡管輪子的影響不可估量，但沒有人確定是誰發(fā)明了它，或者它是何時何地首次構(gòu)思的。上述假設(shè)場景是基于 2015 年的理論喀爾巴阡山脈（今匈牙利境內(nèi)）的礦工在近 6,000 年前首次發(fā)明了輪子，作為運輸銅礦石的一種方式。

這一理論得到了超過 150 輛小型化貨車由在該地區(qū)工作的考古學(xué)家提供。這些小型四輪模型由粘土制成，其外表面刻有柳條圖案，讓人想起當時采礦社區(qū)使用的籃筐。

碳測年法后來表明，這些貨車是迄今為止已知的最早的輪式運輸工具。

這個理論還提出了一個我特別感興趣的問題，航空航天工程師誰研究工程設(shè)計科學(xué).一個默默無聞、科學(xué)天真的采礦社會是如何發(fā)現(xiàn)輪子的，當高度發(fā)達的文明，比如古埃及人冇？

一個有爭議的想法

長期以來，人們一直認為輪子是從簡單的木制滾輪演變而來的.但直到最近，還沒有人能夠解釋這種轉(zhuǎn)變是如何或為什么發(fā)生的。更重要的是，從 1960 年代開始，一些研究人員開始表達強烈的懷疑關(guān)于滾輪到車輪理論。

畢竟，要使壓路機發(fā)揮作用，它們需要平坦、堅固的地形以及沒有斜坡和急轉(zhuǎn)彎的路徑。此外，一旦推車經(jīng)過它們，就需要不斷將用過的壓路機帶到生產(chǎn)線的前部，以保持貨物的移動。

由于所有這些原因，古代世界少用滾輪.根據(jù)懷疑論者的說法，滾筒太稀有了，也太不切實際了，不能成為車輪進化的起點。

但是，一個擁有封閉式人造通道的礦井將為壓路機提供有利條件。除其他因素外，這個因素迫使我的團隊重新審視滾輪假說。

轉(zhuǎn)折點

從滾輪到輪子的過渡需要兩項關(guān)鍵創(chuàng)新。首先是對運載貨物的手推車的修改。推車的底座必須配備半圓形套筒，用于將滾輪固定到位。這樣，當作員拉動推車時，滾筒也會隨之拉動。

這項創(chuàng)新可能是由于礦山環(huán)境的有限性，必須定期將用過的壓路機運回推車前部會特別繁重。

套筒滾子的發(fā)現(xiàn)代表了車輪發(fā)展的轉(zhuǎn)折點，并為第二次也是最重要的創(chuàng)新鋪平了道路。

下一步涉及對壓路機本身的更改。為了了解這種變化是如何發(fā)生的以及為什么發(fā)生的，我們轉(zhuǎn)向了物理學(xué)和計算機輔助工程。

模擬輪子的演變

開始我們的調(diào)查，我們創(chuàng)建了一個計算機程序，旨在模擬從滾輪到輪子的演變。我們的假設(shè)是，這種轉(zhuǎn)變是由一種稱為”機械優(yōu)勢."

同樣的原理允許鉗子通過提供額外的杠桿作用來放大用戶的握力。同樣，如果我們能改變滾輪的形狀以產(chǎn)生機械優(yōu)勢，這將放大用戶的推力，使推車更容易前進。

我們的算法通過對數(shù)百種可能的輥子形狀進行建模，并評估每種形狀在機械優(yōu)勢和結(jié)構(gòu)強度方面的性能。

后者用于確定給定的滾輪是否會在貨物的重量下斷裂。正如預(yù)測的那樣，該算法最終收斂于熟悉的輪軸形狀，并確定該形狀是最佳的。

在算法執(zhí)行期間，每個新設(shè)計的性能都略好于其前身。我們相信 6,000 年前的礦工也發(fā)生了類似的進化過程。

目前尚不清楚最初是什么促使礦工探索替代的輥子形狀。一種可能性是滾輪-套筒接口處的摩擦導(dǎo)致周圍的木材磨損，導(dǎo)致滾輪在接觸點略微變窄。

另一種理論是，礦工們開始減薄壓路機，以便他們的推車可以越過地面上的小障礙物。

無論哪種方式，由于機械優(yōu)勢，車軸區(qū)域的這種狹窄使推車更容易推動。隨著時間的推移，性能更好的設(shè)計一再受到青睞，并且制作了新的滾筒來模仿這些表現(xiàn)最好的設(shè)計。

因此，滾輪變得越來越窄，直到只剩下一個兩端覆蓋著大圓盤的細長桿。這種基本的結(jié)構(gòu)標志著我們現(xiàn)在所說的“輪子”的誕生。

根據(jù)我們的理論，沒有發(fā)明輪子的確切時刻。相反，就像物種的進化一樣，輪子是從微小改進的積累中逐漸出現(xiàn)的。

這只是輪子漫長而持續(xù)的發(fā)展中的眾多篇章之一。在喀爾巴阡山脈礦工的貢獻 5,000 多年后，一位巴黎自行車修理工發(fā)明徑向球軸承，這再次徹底改變了輪式運輸。

具有諷刺意味的是，滾珠軸承在概念上與滾子相同，而滾子是車輪的進化前身。滾珠軸承在車軸周圍形成一個環(huán)，在車軸和輪轂之間形成滾動界面，從而規(guī)避摩擦。通過這項創(chuàng)新，車輪的演變圓滿結(jié)束。

這個例子還展示了輪子的演變，就像它的標志性形狀一樣，是如何追蹤一條迂回的道路——一條沒有明確起點、沒有終點的路線，沿途有無數(shù)次安靜的革命。

凱·詹姆斯， 航空航天工程教授，佐治亞理工學(xué)院

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