Как шахтеры подарили миру колесо: компьютерная реконструкция древней инновации

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Изобретение колеса — одно из самых значимых событий в истории человечества, кардинально преобразившее транспорт, сельское хозяйство, строительство и многие другие сферы жизни. Несмотря на его фундаментальное значение, детали происхождения колеса остаются предметом научных дискуссий. Археологические находки позволяют установить лишь приблизительные временные рамки, а вопрос о месте и обстоятельствах изобретения всё ещё вызывает споры.

Исследователи обратились к передовым методам компьютерного моделирования и структурного анализа, чтобы реконструировать возможный путь эволюции колеса. Применение принципов механики деформируемого твердого тела позволило им смоделировать распределение напряжений в конструкции колеса и создать инновационный алгоритм топологической оптимизации. Основанный на принципах эволюционного развития, этот алгоритм способен автономно генерировать оптимальную структуру колесно-осевой системы, исходя из заданных функциональных требований и физических свойств материалов. Таким образом, ученые смогли не только проанализировать существующие археологические находки, но и смоделировать процесс изобретения колеса, словно «проиграв» его заново.

Шахтер, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Анализ предполагает следующий эволюционный путь развития колеса: от простых цилиндрических катков, размещаемых под перевозимым грузом, к более сложной конструкции с катками, закрепленными в гнездах на днище тележки (одностороннее качение), и, наконец, к цельной колесной паре и системе с независимо вращающимися колесами.

Эволюция колесно-осевой системы. (a) Двустороннее качение без трения с двумя отработанными роликами, показанными на левой стороне изображения, (b) одностороннее качение с рифлеными роликами, удерживаемыми полукруглыми гнездами, и синими стрелками, указывающими на скольжение по поверхности трения, (c) колесная пара с двумя колесами без спиц, закрепленными на концах тонкой оси, образующей монолитную структуру, и (d) частично собранная многокорпусная система колеса и оси, в которой колеса вращаются независимо от оси. Цитирование: Alacoque LR, Bulliet RW, James KA. 2024 Reconstructing the invention of the wheel using computational structural analysis and design. R. Soc. Open Sci. 11: 240373. https://doi.org/10.1098/rsos.240373
Автор: Alacoque LR, Bulliet RW, JamesKA Источник: royalsocietypublishing.org

Использование отдельных катков, несомненно, снижало трение, но было крайне неудобно из-за необходимости постоянного перемещения катков. Следующий шаг — закрепление катков в гнездах — хоть и вносил дополнительное трение в зоне контакта, но давал ряд преимуществ. Катки, двигавшиеся вместе с грузом, устраняли необходимость их перемещения. Кроме того, появлялась возможность обрабатывать и смазывать обе трущиеся поверхности — и катка, и гнезда, чтобы снизить коэффициент трения. Эта конструкция оказалась особенно эффективной в условиях ограниченного пространства, характерных, например, для шахт.

Гипотеза о происхождении колеса в шахтах подкрепляется археологическими находками в Карпатах: глиняными моделями четырехколесных повозок, датируемыми 3600 годом до н.э. Исследователи полагают, что неолитические шахтеры, добывавшие медную руду, были первыми, кто использовал колесные тележки для транспортировки руды по узким шахтным коридорам. Ограниченное пространство шахт делало невозможным использование в них тягловых животных, что также объясняет отсутствие упоминаний о них в ранней истории колеса.

Прогрессия конструкции колесной пары во время выполнения алгоритма оптимизации топологии. Номера итераций указаны в левом нижнем углу каждого изображения Цитирование: Alacoque LR, Bulliet RW, James KA. 2024 Reconstructing the invention of the wheel using computational structural analysis and design. R. Soc. Open Sci. 11: 240373. https://doi.org/10.1098/rsos.240373
Автор: Alacoque LR, Bulliet RW, JamesKA Источник: royalsocietypublishing.org

Постепенное углубление желобков на катках, изначально возникших, возможно, случайно, в итоге привело к формированию оси. Так появилась колесная пара — монолитная конструкция, в которой колеса жестко закреплены на оси. Это изобретение обеспечило значительное механическое преимущество, существенно снизив усилие, необходимое для перемещения груза. Однако колесные пары обладали низкой маневренностью, особенно при поворотах. В условиях шахт этот недостаток был не столь критичен, поскольку шахтные проходы часто были прямыми. Вне же шахт потребность в поворотах стимулировала дальнейшее развитие конструкции, приведшее к появлению системы с независимо вращающимися колесами. Это изобретение значительно улучшило маневренность повозок и стало основой современного колесного транспорта.

Конечно-элементное моделирование колесной пары (верхний ряд) в сравнении с многокорпусным колесом и осью (нижний ряд). Контуры показывают распределение напряжений Цай-Хилла в объеме конструкции. Результаты показывают, что многокорпусная система колес и осей испытывает меньшие напряжения и, следовательно, менее склонна к повреждению материала и разрушению конструкции. Цитирование: Alacoque LR, Bulliet RW, James KA. 2024 Reconstructing the invention of the wheel using computational structural analysis and design. R. Soc. Open Sci. 11: 240373. https://doi.org/10.1098/rsos.240373
Автор: Alacoque LR, Bulliet RW, JamesKA Источник: royalsocietypublishing.org

Данное исследование демонстрирует возможности компьютерного моделирования для реконструкции истории технологий. Анализ эволюции колеса позволяет лучше понять, как окружающая среда, потребности и инженерная мысль взаимодействуют, приводя к появлению новаторских решений, изменяющих ход истории. При этом важно отметить, что колесо возникало не в результате внезапного озарения, а постепенно развивалось, проходя через ряд этапов и адаптируясь к конкретным условиям.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Робот пылесос с непрерывной подачей воды и самоочисткой в реальном времени: обзор новой модели Qrevo Curv 2 Flow от Roborock

Продуманный робот пылесос Roborock Qrevo Curv 2 Flow для влажной и совмещенной уборки, оснащенный лазерной навигацией и ИИ-камерой. Такой вариант и полы помоет, и мусор соберет, и протрет в углах...

Обзор кресла Zone51 X-Prime Optimus – удобно ли сидеть целый день

Zone 51 X-Prime Optimus — кресло с сетчатой конструкцией и набором регулировок, которое сразу задает свою логику посадки. Здесь нет привычной мягкости и простых механизмов, зато есть...

Классическая фотография умерла? Нет. Просто фотоиндустрия стоимостью $100 млрд превратилась в иконку на экране смартфона

Куда исчезли $90 млрд? Как индустрия Kodak и Fujifilm сжалась в 10 раз, превратившись в иконку на экране. История о величайшей ошибке в бизнесе и о том, кто на самом деле победил в войне за наши кадры

Странные полосы на соснах в лесу: что такое подсочка

Прогуливаясь по сосновому лесу или собирая грибы, ягоды вы, возможно, замечали странные отметины на стволах взрослых деревьев V- образные надрезы в виде зарубок, иногда их называют рунами. И...

Обзор ноутбука Ninkear S14 — продуманное решение с малым весом

Сегодня я расскажу о ноутбуке Ninkear S14. Ноутбук задуман как максимально лёгкое и компактное устройство, имеющее при этом интересные характеристики, и предлагающееся за адекватную стоимость....

Обзор кабеля USB-C Baseus Cafele 100W: Мощный зарядный кабель, который не стоит оставлять без присмотра

Рынок USB-C кабелей сегодня — это настоящий минный лоток: снаружи все выглядят плюс-минус одинаково, но что происходит внутри — отдельная история. Одни кабели тихо...