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

Ученые впервые наблюдали процесс, давший начало сложной жизни на Земле: как контакт двух простых клеток изменил ход эволюции

Один из самых сложных вопросов в современной биологии — это механизм появления эукариотической клетки. Вся жизнь на Земле делится на простые микроорганизмы (бактерии и археи) и...

Архитектура преисподней: как на самом деле устроен источник магмы Йеллоустоунского супервулкана

Традиционно считалось, что под Йеллоустоуном находится мантийный плюм. Согласно этой классической концепции, глубоко в недрах планеты, на границе земного ядра и мантии, зарождается мощный...

Секрет Саграда Фамилия: почему у самого высокого храма мира предел высоты в 172 метра

В прошлой статье я писал про долгострой, и вот совпадение, тоже храм, в Таиланде. Но если Храм Истины это самый масштабный проект целиком из древесины, то Саграда Фамилия уже самый высокий...

Как первоцветы выживают в суровых условиях ранней весны

Ранняя весна в центральной полосе России — время, когда природа только пробуждается от зимнего сна. Еще в низинах лежит снег, а на полянках появляются первые цветы, это кажется настоящим...

Где находится самый старый пароход в России и почему его сохранили

На набережной Енисея в центре Красноярска стоит пароход, который по праву считается одним из самых старых сохранившихся судов России. Грузопассажирский колёсный пароход «Святитель Николай»,...