كيف تم اختراع العجلة؟ تكشف عمليات المحاكاة الحاسوبية عن ولادة غير محتملة لتكنولوجيا تغيير عالمي منذ ما يقرب من 6000 عام

تخيل أنك عامل منجم نحاسي في جنوب شرق أوروبا في عام 3900 قبل الميلاد بعد يوم تقوم بنقل خام النحاس من خلال الأنفاق المنغمة.

لقد استقلت نفسك من رتابة حياة التعدين. ثم بعد ظهر أحد الأيام ، تشهد زميلًا يقوم بعمل رائع.

مع وجود تناقض غريب المظهر ، ينقل عرضا ما يعادل ثلاثة أضعاف وزن جسمه في رحلة واحدة. أثناء عودته إلى المنجم لجلب حمولة أخرى ، يفرغ عليك فجأة أن مهنتك المختارة على وشك الحصول على ضرائب أقل بكثير وأكثر ربحًا.

ما لا تدركه: أنت تشاهد شيئًا من شأنه أن يغير مسار التاريخ – ليس فقط لمجتمع التعدين الصغير ، ولكن لجميع الإنسانية.

على الرغم من تأثير العجلة الذي لا يقاس ، لا أحد متأكد من من اخترعها ، أو متى وأين تم تصورها لأول مرة. يعتمد السيناريو الافتراضي الموصوف أعلاه على نظرية عام 2015 مفادها أن عمال المناجم في جبال الكاربات – المجر الآن – اخترع العجلة منذ ما يقرب من 6000 عام كوسيلة لنقل خام النحاس.

يتم دعم النظرية من خلال اكتشاف أكثر من 150 عربة مصغرة من قبل علماء الآثار الذين يعملون في المنطقة. صُنعت هذه النماذج ذات العجلات الأربع ذات العجلات ذات الحجم الكبير من الطين ، وكانت أسطحها الخارجية محفورة بنمط الخوص الذي يذكرنا بالسلال المستخدمة من قبل مجتمعات التعدين في ذلك الوقت. كشف المواعدة الكربونية لاحقًا أن هذه العربات هي أقرب صور معروفة للنقل بعجلات حتى الآن.

تثير هذه النظرية أيضًا مسألة ذات أهمية خاصة بالنسبة لي ، وهو مهندس الطيران الذي يدرس علم التصميم الهندسي. كيف اكتشف مجتمع التعدين الغامض والسذالي العجلة ، عندما لم تفعل الحضارات المتقدمة للغاية ، مثل المصريين القدماء ،؟

فكرة مثيرة للجدل

لقد كان من المفترض منذ فترة طويلة أن العجلات تطورت من بكرات خشبية بسيطة. ولكن حتى وقت قريب لا يمكن لأحد أن يشرح كيف أو لماذا حدث هذا التحول. ما هو أكثر من ذلك ، ابتداءً من الستينيات ، بدأ بعض الباحثين في التعبير عن شكوك قوية حول نظرية الأسطوانة إلى العجلات.

بعد كل شيء ، لكي تكون البكرات مفيدة ، فإنها تتطلب تضاريس مسطحة وثابتة ومسار خالي من المنحنيات والمنحنيات الحادة. علاوة على ذلك ، بمجرد مرور العربة ، يجب إحضار البكرات المستخدمة باستمرار إلى مقدمة الخط للحفاظ على تتحرك البضائع. لكل هذه الأسباب ، استخدم العالم القديم البكرات بشكل ضئيل. وفقًا للمتشككين ، كانت البكرات نادرة جدًا وغير عملية للغاية لأنها كانت نقطة الانطلاق لتطور العجلة.

لكن منجم-مع ممراته المغلقة ، من صنع الإنسان-كان من شأنه أن يوفر شروطًا مواتية للجرافات. هذا العامل ، من بين أمور أخرى ، أجبر فريقي على إعادة النظر في فرضية الأسطوانة.

نقطة تحول

يتطلب الانتقال من البكرات إلى العجلات ابتكارين رئيسيين. الأول هو تعديل العربة التي تحمل البضائع. يجب أن يتم تجهيز قاعدة العربة بمآخذ نصف دائرية ، والتي تمسك بكرات في مكانها. بهذه الطريقة ، عندما يسحب المشغل العربة ، يتم سحب البكرات معها.

ربما كان هذا الابتكار مدفوعًا بالطبيعة المحصورة لبيئة الألغام ، حيث كان الاضطرار إلى حمل البكرات المستخدمة بشكل دوري في مقدمة العربة قد تكون مرهقة بشكل خاص.

يمثل اكتشاف بكرات المقبس نقطة تحول في تطور العجلة ومهد الطريق للابتكار الثاني والأكثر أهمية. تضمنت هذه الخطوة التالية تغييرًا في البكرات نفسها. لفهم كيف ولماذا حدث هذا التغيير ، تحولنا إلى الفيزياء والهندسة بمساعدة الكمبيوتر.

محاكاة تطور العجلة

لبدء تحقيقنا ، أنشأنا برنامج كمبيوتر مصمم لمحاكاة التطور من الأسطوانة إلى عجلة. كانت فرضيتنا أن هذا التحول كان مدفوعًا بظاهرة تسمى “الميزة الميكانيكية”. يتيح هذا المبدأ نفسه كماشة تضخيم قوة قبضة المستخدم من خلال توفير رافعة إضافية. وبالمثل ، إذا تمكنا من تعديل شكل الأسطوانة لإنشاء ميزة ميكانيكية ، فإن هذا من شأنه أن يضخّم قوة دفع المستخدم ، مما يسهل تقدم العربة.

عملت الخوارزمية الخاصة بنا من خلال نمذجة مئات الأشكال الدوارة المحتملة وتقييم كيفية أداء كل حرف ، سواء من حيث الميزة الميكانيكية والقوة الهيكلية. تم استخدام هذا الأخير لتحديد ما إذا كانت الأسطوانة المعينة ستتكسر تحت وزن الشحنة. كما هو متوقع ، تتقارب الخوارزمية في نهاية المطاف على شكل العجلة والمحور المألوف ، والتي قررت أن تكون مثالية.

أثناء تنفيذ الخوارزمية ، كان أداء كل تصميم جديد أفضل قليلاً من سابقتها. نعتقد أن عملية تطورية مماثلة تم لعبها مع عمال المناجم قبل 6000 عام.

ليس من الواضح ما الذي دفع عمال المناجم في البداية إلى استكشاف أشكال الأسطوانة البديلة. أحد الاحتمالات هو أن الاحتكاك في واجهة مقبس الأسطوانة تسبب في ارتداء الخشب المحيط ، مما يؤدي إلى تضييق طفيف للأسطوانة عند نقطة الاتصال. نظرية أخرى هي أن عمال المناجم بدأوا في تخفيف البكر حتى تتمكن عرباتهم من مرور عوائق صغيرة على الأرض.

في كلتا الحالتين ، بفضل الميزة الميكانيكية ، جعل تضييق منطقة المحور هذا أسهل في الدفع. مع مرور الوقت ، تم تفضيل تصميمات أفضل الأداء مرارًا وتكرارًا على الآخرين ، وتم تصميم بكرات جديدة لتقليد هؤلاء الفنانين.

وبالتالي ، أصبحت البكرات أكثر ضيقًا ، حتى كان كل ما تبقى بمثابة شريط نحيل مغطى على كلا الطرفين بأقراص كبيرة. يمثل هذا الهيكل البدائي ولادة ما نشير إليه الآن باسم “العجلة”.

وفقًا لنظريتنا ، لم تكن هناك لحظة دقيقة تم فيها اختراع العجلة. بدلاً من ذلك ، تمامًا مثل تطور الأنواع ، ظهرت العجلة تدريجياً من تراكم التحسينات الصغيرة.

هذا مجرد واحد من الفصول العديدة في التطور الطويل والمستمر للعجلة. بعد أكثر من 5000 عام من مساهمات عمال المناجم الكاربات ، اخترع ميكانيكي الدراجات الباريسي محامل الكرة الشعاعية ، والتي أحدثت ثورة في النقل بعجلات.

ومن المفارقات أن محامل الكرة متطابقة من الناحية المفاهيمية للبكرات ، السلائف التطورية للعجلة. تشكل محامل الكرة حلقة حول المحور ، مما يخلق واجهة متداولة بين المحور ومركز العجلات ، وبالتالي التحايل على الاحتكاك. مع هذا الابتكار ، جاء تطور العجلة دائرة كاملة.

يوضح هذا المثال أيضًا كيف يتتبع تطور العجلة ، مثل شكلها الأيقوني ، مسارًا دائريًا – واحد بدون بداية واضحة ، لا نهاية ، ودورات هادئة لا حصر لها على طول الطريق.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة ، وهي مؤسسة إخبارية مستقلة غير ربحية تجلب لك الحقائق والتحليلات الجديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتبه: كاي جيمس ، معهد جورجيا للتكنولوجيا

اقرأ المزيد:

يتلقى كاي جيمس تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم.