Think about que você é um mineiro de cobre no sudeste da Europa no ano de 3900 aC. Dia após dia, você transporta o minério de cobre pelos túneis sufocos da mina.
Você se resignou à cansativa monotonia da vida de mineração. Então, uma tarde, você testemunha um companheiro de trabalho fazendo algo notável.
Com uma engenhoca de aparência estranha, ele transporta casualmente o equivalente a três vezes seu peso corporal em uma única viagem. Quando ele retorna à mina para buscar outra carga, de repente ocorre em você que sua profissão escolhida está prestes a ficar muito menos cansativa e muito mais lucrativa.
O que você não percebe: você está testemunhando algo que mudará o curso da história – não apenas para sua pequena comunidade de mineração, mas para toda a humanidade.
Uma ilustração gerada pela IA sobre como os carrinhos de minas originais usados nas montanhas dos Cárpatos podem ter sido em 3900 aC de crédito de imagem: Kai James through Dall · E
Apesar do impacto imensurável da roda, ninguém tem certeza de quem a inventou, ou quando e onde foi concebida pela primeira vez. O cenário hipotético descrito acima é Baseado em uma teoria de 2015 que os mineiros nas montanhas dos Cárpatos-na Hungria atual-a primeira inventaram a roda há quase 6.000 anos como um meio de transportar minério de cobre.
A teoria é apoiada pela descoberta de Mais de 150 vagões miniaturizados por arqueólogos que trabalham na região. Esses modelos de tamanho de quatro rodas foram feitos de argila e suas superfícies externas foram gravadas com um padrão de vime que lembra a cesta usada pelas comunidades de mineração na época. A datada de carbono revelou posteriormente que esses vagões são as primeiras representações conhecidas do transporte de rodas até o momento.
Essa teoria também levanta uma questão de interesse explicit para mim, um engenheiro aeroespacial quem estuda o Ciência do design de engenharia. Como uma sociedade de mineração obscura e cientificamente ingênua descobriu a roda, quando civilizações altamente avançadas, como os antigos egípciosnão?
Uma ideia controversa
Há muito tempo se assume que Rodas evoluíram de rolos de madeira simples. Mas até recentemente ninguém podia explicar como ou por que essa transformação ocorreu. Além do mais, a partir da década de 1960, alguns pesquisadores começaram a expressar fortes dúvidas sobre a teoria do rolo-a roda.
Afinal, para que os rolos sejam úteis, eles exigem terrenos planos e firmes e um caminho livre de inclinações e curvas nítidas. Além disso, uma vez que o carrinho passa, os rolos usados precisam ser continuamente trazidos para a frente da linha para manter a carga em movimento. Por todas essas razões, o mundo antigo Rolos usados com moderação. De acordo com os céticos, os rolos eram raros e impraticáveis demais para ter sido o ponto de partida para a evolução da roda.
Mas uma mina-com suas passagens fechadas e criadas pelo homem-teria fornecido condições favoráveis para os rolos. Esse fator, entre outros, obrigou minha equipe a revisitar a hipótese do rolo.
Os principais estágios da evolução das primeiras rodas, começando por rolos simples e, eventualmente, chegando a uma estrutura de roda e eixo na qual um eixo delgado é conectado a grandes discos sólidos ou rodas nas duas extremidades. Crédito da imagem: Kai James
Um ponto de virada
A transição de rolos para rodas requer duas inovações principais. O primeiro é uma modificação do carrinho que carrega a carga. A base do carrinho deve ser equipada com soquetes semicirculares, que mantêm os rolos no lugar. Dessa forma, quando o operador puxa o carrinho, os rolos são puxados junto com ele.
Essa inovação pode ter sido motivada pela natureza confinada do ambiente de minas, onde ter que transportar periodicamente rolos usados de volta à frente do carrinho teria sido especialmente oneroso.
A descoberta de rolos de soquete representou um ponto de virada na evolução da roda e abriu o caminho para a segunda e mais importante inovação. Este próximo passo envolveu uma mudança nos próprios rolos. Para entender como e por que essa mudança ocorreu, nos voltamos para a física e a engenharia auxiliada por computador.
Simulando a evolução da roda
Para começar nossa investigaçãocriamos um programa de computador projetado para simular a evolução de um rolo para uma roda. Nossa hipótese period que essa transformação foi impulsionada por um fenômeno chamado “vantagem mecânica. ” Esse mesmo princípio permite que o alicate amplie a força de aderência de um usuário, fornecendo uma alavancagem adicional.
Nosso algoritmo trabalhou modelando centenas de formas potenciais de rolos e avaliando o desempenho de cada um, tanto em termos de vantagem mecânica quanto de força estrutural. Este último foi usado para determinar se um determinado rolo quebraria sob o peso da carga. Conforme previsto, o algoritmo acabou convergindo para a forma acquainted de roda e eixo, que determinou ser best.
Uma simulação de computador da evolução de um rolo para uma estrutura de roda e eixo. Cada imagem representa um design avaliado pelo algoritmo. A pesquisa finalmente converge para o design acquainted de roda e eixo. Crédito da imagem: Kai James
Durante a execução do algoritmo, cada novo design teve um desempenho um pouco melhor que seu antecessor. Acreditamos que um processo evolutivo semelhante ocorreu com os mineiros há 6.000 anos.
Não está claro o que inicialmente levou os mineiros a explorar formas alternativas de rolos. Uma possibilidade é que o atrito na interface do soquete do rolo fez com que a madeira circundante se desgastasse, levando a um leve estreitamento do rolo no ponto de contato. Outra teoria é que os mineiros começaram a diminuir os rolos para que seus carrinhos pudessem passar por pequenas obstruções no chão.
De qualquer maneira, graças à vantagem mecânica, esse estreitamento da região do eixo facilitou a empurração dos carrinhos. Com o passar do tempo, os designs de melhor desempenho foram favorecidos repetidamente sobre os outros, e os novos rolos foram criados para imitar esses melhores desempenhos.
Consequentemente, os rolos se tornaram cada vez mais estreitos, até que tudo o que restava period uma barra esbelta coberta nas duas extremidades por discos grandes. Essa estrutura rudimentar marca o nascimento do que agora chamamos de “a roda”.
Segundo nossa teoria, não houve um momento preciso em que a roda foi inventada. Em vez disso, assim como a evolução das espécies, a roda emergiu gradualmente de um acúmulo de pequenas melhorias.
Este é apenas um dos muitos capítulos na evolução longa e contínua da roda. Mais de 5.000 anos após as contribuições dos Mineiros dos Cárpatos, um mecânico de bicicleta parisiense inventado rolamentos de esferas radiaisque mais uma vez revolucionou o transporte de rodas.
Ironicamente, os rolamentos de esferas são conceitualmente idênticos aos rolos, o precursor evolutivo da roda. Rolamentos de esferas formar um anel ao redor do eixocriando uma interface rolante entre o eixo e o cubo da roda, contornando assim o atrito. Com essa inovação, a evolução da roda chegou ao círculo completo.
Este exemplo também mostra como a evolução da roda, como sua forma icônica, traça um caminho tortuoso – um sem começo claro, sem fim e inúmeras revoluções silenciosas ao longo do caminho.
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