Эволюция колеса

Исследование, опубликованное в журнале Royal Society Open Science 23 октября, предлагает новую модель эволюции колеса. Авторы, Буллиет, Джеймс (инженер аэрокосмической техники из Технологического института Джорджии (США)) и Алакок (бывший инженер Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США)), использовали передовые методы вычислительной механики и инженерных наук, дополняя их глубоким анализом археологических данных о древних колесных системах. Вместо предположения о внезапном изобретении колеса, они описывают постепенный, эволюционный процесс, включающий три ключевых новшества, каждое из которых логически вытекает из предыдущего. 

Первым шагом, по мнению исследователей, было использование простых роликов для перемещения тяжелых грузов, например, корзин или ящиков с рудой в шахтах. Представьте себе труд шахтеров: тяжелый груз нужно доставить наверх, а каждый ролик приходится переставлять вручную. Эта трудоемкая процедура, требующая постоянного перемещения роликов, была неэффективна. Поэтому, как предполагают ученые, естественным следующим этапом стало первое новшество: рифленые ролики. Вместо гладких цилиндров, шахтеры начали использовать ролики с продольными канавками или желобками. Такая конструкция позволяла грузу более надежно удерживаться на роликах, предотвращая его соскальзывание и значительно упрощая процесс перемещения. Более того, рифленая поверхность увеличивала площадь контакта, уменьшая трение и облегчая движение груза. Это позволило перейти от перемещения отдельных роликов к толканию целой тележки по набору рифленых роликов, что уже приближает нас к концепции колеса. Здесь важно отметить, что эта гипотеза хорошо согласуется с археологическими находками, которые демонстрируют существование прототипов роликов с подобной текстурой поверхности.

Второе революционное новшество – это колесная пара, закрепленная на общей оси. Эта конструкция, представляющая собой два рифленых ролика, жестко связанных между собой осью, позволила преодолеть существенный недостаток системы с отдельными роликами: недостаток клиренса. Простая тележка на роликах застревала на неровностях грунта, что требовало дополнительных усилий и времени. Колесная пара, напротив, предоставляла более высокий клиренс, позволяя с легкостью преодолевать камни и неровности в шахте. Ученые провели сложные вычислительные моделирования, демонстрирующие значительное снижение энергетических затрат при использовании колесной пары по сравнению с системой отдельных роликов. Модель учитывала параметры, такие как масса груза, радиус колес, тип поверхности, и коэффициент трения, что позволило получить количественную оценку эффективности данного новшества.

Третье, финальное новшество – это независимое вращение колес на оси. Эта модификация, по предположениям ученых, появилась примерно через 500 лет после изобретения колесной пары. Она добавила маневренность и управляемость всей конструкции. Теперь тележку стало легче направлять, обходя препятствия и изменяя направление движения. Это позволило существенно повысить эффективность перемещения грузов, особенно на неровной местности. Ученые отмечают, что переход к независимо вращающимся колесам был связан не только с улучшением управляемости, но и с изменением технологий обработки дерева и металлов, что позволило создать более точную и прочную конфигурацию оси и подшипников. Подробности исследования можно прочитать тут.