輪子的發(fā)明可能是為了解決一個(gè)令人驚訝的問(wèn)題

想象一下，您是公元前 3900 年?yáng)|南歐的一名銅礦工。日復(fù)一日，您通過(guò)礦區(qū)悶熱的隧道運(yùn)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(gè)看起來(lái)很奇怪的裝置，隨便一次運(yùn)輸相當(dāng)于他體重三倍的東西。當(dāng)他回到礦井取另一批貨物時(shí)，你突然意識(shí)到你選擇的職業(yè)即將變得不那么費(fèi)力，而且利潤(rùn)更高。

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

盡管輪子的影響不可估量，但沒(méi)有人確定是誰(shuí)發(fā)明了它，或者它是何時(shí)何地首次構(gòu)思的。上述假設(shè)場(chǎng)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(yùn)輸銅礦石的一種方式。

這一理論得到了超過(guò) 150 輛小型化貨車(chē)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(dāng)時(shí)采礦社區(qū)使用的籃筐。

碳測(cè)年法后來(lái)表明，這些貨車(chē)是迄今為止已知的最早的輪式運(yùn)輸工具。

這個(gè)理論還提出了一個(gè)我特別感興趣的問(wèn)題，航空航天工程師誰(shuí)研究工程設(shè)計(jì)科學(xué).一個(gè)默默無(wú)聞、科學(xué)天真的采礦社會(huì)是如何發(fā)現(xiàn)輪子的，當(dāng)高度發(fā)達(dá)的文明，比如古埃及人冇？

一個(gè)有爭(zhēng)議的想法

長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直認(rèn)為輪子是從簡(jiǎn)單的木制滾輪演變而來(lái)的.但直到最近，還沒(méi)有人能夠解釋這種轉(zhuǎn)變是如何或?yàn)槭裁窗l(fā)生的。更重要的是，從 1960 年代開(kāi)始，一些研究人員開(kāi)始表達(dá)強(qiáng)烈的懷疑關(guān)于滾輪到車(chē)輪理論。

畢竟，要使壓路機(jī)發(fā)揮作用，它們需要平坦、堅(jiān)固的地形以及沒(méi)有斜坡和急轉(zhuǎn)彎的路徑。此外，一旦推車(chē)經(jīng)過(guò)它們，就需要不斷將用過(guò)的壓路機(jī)帶到生產(chǎn)線(xiàn)的前部，以保持貨物的移動(dòng)。

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(shuō)法，滾筒太稀有了，也太不切實(shí)際了，不能成為車(chē)輪進(jìn)化的起點(diǎn)。

但是，一個(gè)擁有封閉式人造通道的礦井將為壓路機(jī)提供有利條件。除其他因素外，這個(gè)因素迫使我的團(tuán)隊(duì)重新審視滾輪假說(shuō)。

轉(zhuǎn)折點(diǎn)

從滾輪到輪子的過(guò)渡需要兩項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新。首先是對(duì)運(yùn)載貨物的手推車(chē)的修改。推車(chē)的底座必須配備半圓形套筒，用于將滾輪固定到位。這樣，當(dāng)作員拉動(dòng)推車(chē)時(shí)，滾筒也會(huì)隨之拉動(dòng)。

這項(xiàng)創(chuàng)新可能是由于礦山環(huán)境的有限性，必須定期將用過(guò)的壓路機(jī)運(yùn)回推車(chē)前部會(huì)特別繁重。

套筒滾子的發(fā)現(xiàn)代表了車(chē)輪發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(duì)壓路機(jī)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(jì)算機(jī)輔助工程。

模擬輪子的演變

開(kāi)始我們的調(diào)查，我們創(chuàng)建了一個(gè)計(jì)算機(jī)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(chēng)為”機(jī)械優(yōu)勢(shì)."

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

我們的算法通過(guò)對(duì)數(shù)百種可能的輥?zhàn)有螤钸M(jìn)行建模，并評(píng)估每種形狀在機(jī)械優(yōu)勢(shì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的性能。

后者用于確定給定的滾輪是否會(huì)在貨物的重量下斷裂。正如預(yù)測(cè)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(gè)新設(shè)計(jì)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(lèi)似的進(jìn)化過(guò)程。

目前尚不清楚最初是什么促使礦工探索替代的輥?zhàn)有螤?。一種可能性是滾輪-套筒接口處的摩擦導(dǎo)致周?chē)哪静哪p，導(dǎo)致滾輪在接觸點(diǎn)略微變窄。

另一種理論是，礦工們開(kāi)始減薄壓路機(jī)，以便他們的推車(chē)可以越過(guò)地面上的小障礙物。

無(wú)論哪種方式，由于機(jī)械優(yōu)勢(shì)，車(chē)軸區(qū)域的這種狹窄使推車(chē)更容易推動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，性能更好的設(shè)計(jì)一再受到青睞，并且制作了新的滾筒來(lái)模仿這些表現(xiàn)最好的設(shè)計(jì)。

因此，滾輪變得越來(lái)越窄，直到只剩下一個(gè)兩端覆蓋著大圓盤(pán)的細(xì)長(zhǎng)桿。這種基本的結(jié)構(gòu)標(biāo)志著我們現(xiàn)在所說(shuō)的“輪子”的誕生。

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

這只是輪子漫長(zhǎng)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(xiàn) 5,000 多年后，一位巴黎自行車(chē)修理工發(fā)明徑向球軸承，這再次徹底改變了輪式運(yùn)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(chē)輪的進(jìn)化前身。滾珠軸承在車(chē)軸周?chē)纬梢粋€(gè)環(huán)，在車(chē)軸和輪轂之間形成滾動(dòng)界面，從而規(guī)避摩擦。通過(guò)這項(xiàng)創(chuàng)新，車(chē)輪的演變圓滿(mǎn)結(jié)束。

這個(gè)例子還展示了輪子的演變，就像它的標(biāo)志性形狀一樣，是如何追蹤一條迂回的道路——一條沒(méi)有明確起點(diǎn)、沒(méi)有終點(diǎn)的路線(xiàn)，沿途有無(wú)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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