Как е било изобретено колелото? Компютърен модел пресъздаде случайния процес, променил историята
Почти всичко към нас – от ръчните часовници до галактическите станции – дължи съществуването си на едно непретенциозно, само че гениално устройство: колелото. Образът му се е трансформирал в синоним на напредъка и нововъведенията. Но ето го и парадоксът: към момента не знаем сигурно кой и по кое време го е основал. Въпросът е още по-интригуващ: за какво строителите на египетските пирамиди, най-великите инженери на своето време, които са премествали многотонни блокове, не са познавали колесния превоз, до момента в който техните съвременници някъде в планините на Европа евентуално към този момент са го употребявали пълноценно?
Да напомним, че е признато да се смята, че колелото е изобретено за първи път към 3500 година пр.н.е. в Месопотамия (региона на Шумер, сегашен Ирак). Интересно е, че първичното му приложение евентуално не е било за превоз, а за грънчарски колела. Едва по-късно (около 3200 година пр.н.е.) се появяват най-ранните доказателства за колесни транспортни средства.
Една нова доктрина, подкрепена от компютърно моделиране, предлага грациозен и малко объркващ отговор. Изглежда, че колелото не е имало един-единствен талантлив откривател. То не се е породило в миг на просветление. То е еволюирало – постепенно, инцидентно и на най-неочакваното място.
Главният обвинен и неговото нестабилно оправдание
Концепцията за колелото не е била толкоз явна, колкото ни наподобява през днешния ден. Хората са употребявали търкалящи се трупи (ролки) под тежки предмети в продължение на хилядолетия преди появяването на колелото. Пробивът не е бил в концепцията за нещо кръгло, което се търкаля, а в концепцията за непрекъснато закрепена ос, към която се върти кръговиден диск (колело), което обезпечава доста по-нисък коефициент на търкане и надзор.
Дълго време главната версия за произхода на колелото е била теорията за „ ролките “. Идеята е разумна: с цел да преместите нещо тежко, поставете под него трупи и го търкаляйте. С течение на времето тези трупи можели по някакъв метод да се трансфорат в ос с колела. Но тази на пръв взор стройна догадка има съществени проблеми.
Опитайте се да търкаляте тежък долап върху кръгли пръчки по мека почва или трева. Ролките ще залепнат, изискват идеално равна повърхнина и, което е най-уморителното от всичко, ще би трябвало непрекъснато да се местят в обратна посока. В пресечения терен на античния свят сходна технология е била извънредно непрактична и трудоемка. Ето за какво доста учени се отнасят скептично към тази версия: ролките са прекомерно ad hoc решение, с цел да се трансфорат в основа на една световна софтуерна гражданска война.
Еволюцията на системата от колела и оси. (а) двустранно търкаляне без търкане с две износени ролки, показани в лявата част на изображението, (b) едностранно търкаляне с жлебовидни ролки, придържани от полукръгли гнезда, и сини стрелки, указващи плъзгането по повърхността на търкане, (c) двойка колела с две колела без спици, прикрепени към краищата на тънка ос, образуващи монолитна конструкция, и (d) отчасти съединена многокорпусна система от колела и оси, при която колелата се въртят без значение от оста. Нова улика: медните мини в Карпатите
Какво би станало, в случай че за еволюцията за плъзгане на тежките товари по ледените пързалки от античните времена са били нужни специфични, „ парникови “ условия? Тази среда може да са били… медните мини. Новата доктрина ни придвижва от долините на Месопотамия в Карпатите, в днешна Унгария, към 3900 година пр.н.е. Археолозите са разкрили повече от 150 дребни глинени модела на миньорски колички- най-старите известни на науката изображения на колесен превоз.
Мината е един изцяло друг свят. Няма неравности или мека почва. Има тесни, изкуствено основани тунели с релативно еднакъв и корав под. Това е идеалната среда за плъзгане. Но по-важното е, че в затвореното пространство на шахтата би било изключително мъчно и неефективно ролките да се придвижват на ръка от самото начало. Именно това стеснение евентуално е катализирало първия пробив.
Диаграми на свободни корпуси за количка с колела. (а) Количка с двойка колесници. (b) Единична колесна двойка в плъзгащ се фрикционен лагер Стъпка по стъпка: еволюция, а не просветление
Преходът от елементарна ролка към колело не е еднократен скок. Това е била верига от поредни усъвършенствания, при които всяка стъпка е дала дребна, само че осезаема практическа изгода.
Иновация № 1: появяването на гнезда. Първата стъпка е усъвършенстването не на ролката, а на самата количка. Миньорите можели да издълбаят полукръгли жлебове (гнезда) на дъното ѝ, в които се поставяли ролките. Сега ролките освен са били под тежестта на товара, само че са били закрепени по отношение на количката и са се въртели дружно с нейното придвижване. Това решило главния проблем – към този момент не било належащо да бъдат премествани. Количката се е трансформирала в обединен механизъм.
Иновация № 2: Случайно изобретение на физиката. Тук стартира занимателната част. Докато ролката се е въртяла в гнездото си, триенето неизбежно е износвало дървото. С течение на времето центърът на ролката, който е в контакт с жлебовете, става по-тънък от краищата му. Възможно е самите миньори да са изтънили центъра съзнателно, с цел да може количката по-лесно да преодолява дребните неравности.
Без да осъзнават, те са се натъкнали на фундаментален физичен принцип – механичната облага. Колкото по-тънка е оста спрямо диаметъра на колелото, толкоз по-малка мощ би трябвало да се приложи, с цел да се завърти. Древните миньори забелязали един елементарен факт: количките с ролки, „ изтъркани “ в средата, се бутали по-лесно.
Това сложило началото на развой, който през днешния ден бихме нарекли итеративен дизайн. Най-добрите, най-лесните структури са били копирани. Произвеждали се нови ролки с съзнателно свиване в средата. Този развой, повтарящ се още веднъж и още веднъж, последователно трансформира една солидна ролка в два диска, свързани с тъничък мост. Така, без никакъв талантлив проект, се родила оста с колела.
Съвременното компютърно моделиране поддържа тази догадка. Инженерите са основали логаритъм, който, претърсвайки стотици форми и стремейки се към най-благоприятен баланс сред издръжливост и механична облага, независимо „ еволюира “ от елементарен цилиндър до самата форма на колело с ос. Машината, ръководена от чистата физика, повторила пътя, който античните хора са минали интуитивно.
Компютърните модели и симулации могат да бъдат мощни принадлежности за схващане на еволюцията на технологиите, изключително когато липсват директни исторически доказателства.
Прогресът на структурата на колесната формула по време на осъществяването на логаритъма за усъвършенстване на топологията. Номерата на итерациите са посочени в долния ляв ъгъл на всяко изображение Кръгът е затворен: наследството на безименните инженери
И по този начин, имало ли е откривател на колелото? Тази нова доктрина споделя: евентуално не. Имало е хиляди безименни миньори, които в продължение на генерации са внасяли дребни усъвършенствания в работните си принадлежности с чисто утилитарната цел да теглят по-малко и да извличат повече. Колелото не е било изобретено; то е зародило вследствие на практическата потребност и поредност от инцидентни открития.
Това изяснява за какво то не се е появило в напредналите цивилизации, а в една изолирана миньорска общественост. Египтяните, с техните неограничени трудови запаси и добре функционираща логистика по вода, просто не са имали потребност от колелото. Но за карпатските миньори то се е трансформирало в ключ към оцеляването и просперитета.
По подигравка на ориста, повече от пет хиляди години по-късно еволюцията на колелото направила завой и се върнала към корените си. Изобретяването на сачмения лагер всъщност е връщане към концепцията за ролките, единствено че в този момент дребни „ търкалящите се ролчици-топченца “ се въртят сред оста и колелото, като съвсем изцяло отстраняват триенето.
Историята на колелото не е роман за някакво грандиозно просветление. Тя е химн на постепенния напредък, груповия опит и човешката дарба да намира гениални решения и на най-обикновените проблеми. И може би това е най-важният урок, който ни преподава.
