轮子的发明可能是为了解决一个令人惊讶的问题

想象一下，您是公元前 3900 年东南欧的一名铜矿工。日复一日，您通过矿区闷热的隧道运输铜矿石。

您已经接受了艰苦单调的采矿生活。然后有一天下午，你目睹了一位同事做了一件了不起的事情。

他带着一个看起来很奇怪的装置，随便一次运输相当于他体重三倍的东西。当他回到矿井取另一批货物时，你突然意识到你选择的职业即将变得不那么费力，而且利润更高。

你没有意识到的是：你正在见证一些将改变历史进程的事情——不仅为了你的小采矿社区，而且为了全人类。

尽管轮子的影响不可估量，但没有人确定是谁发明了它，或者它是何时何地首次构思的。上述假设场景是基于 2015 年的理论喀尔巴阡山脉（今匈牙利境内）的矿工在近 6,000 年前首次发明了轮子，作为运输铜矿石的一种方式。

这一理论得到了超过 150 辆小型化货车由在该地区工作的考古学家提供。这些小型四轮模型由粘土制成，其外表面刻有柳条图案，让人想起当时采矿社区使用的篮筐。

碳测年法后来表明，这些货车是迄今为止已知的最早的轮式运输工具。

这个理论还提出了一个我特别感兴趣的问题，航空航天工程师谁研究工程设计科学.一个默默无闻、科学天真的采矿社会是如何发现轮子的，当高度发达的文明，比如古埃及人冇？

一个有争议的想法

长期以来，人们一直认为轮子是从简单的木制滚轮演变而来的.但直到最近，还没有人能够解释这种转变是如何或为什么发生的。更重要的是，从 1960 年代开始，一些研究人员开始表达强烈的怀疑关于滚轮到车轮理论。

毕竟，要使压路机发挥作用，它们需要平坦、坚固的地形以及没有斜坡和急转弯的路径。此外，一旦推车经过它们，就需要不断将用过的压路机带到生产线的前部，以保持货物的移动。

由于所有这些原因，古代世界少用滚轮.根据怀疑论者的说法，滚筒太稀有了，也太不切实际了，不能成为车轮进化的起点。

但是，一个拥有封闭式人造通道的矿井将为压路机提供有利条件。除其他因素外，这个因素迫使我的团队重新审视滚轮假说。

转折点

从滚轮到轮子的过渡需要两项关键创新。首先是对运载货物的手推车的修改。推车的底座必须配备半圆形套筒，用于将滚轮固定到位。这样，当作员拉动推车时，滚筒也会随之拉动。

这项创新可能是由于矿山环境的有限性，必须定期将用过的压路机运回推车前部会特别繁重。

套筒滚子的发现代表了车轮发展的转折点，并为第二次也是最重要的创新铺平了道路。

下一步涉及对压路机本身的更改。为了了解这种变化是如何发生的以及为什么发生的，我们转向了物理学和计算机辅助工程。

模拟轮子的演变

开始我们的调查，我们创建了一个计算机程序，旨在模拟从滚轮到轮子的演变。我们的假设是，这种转变是由一种称为”机械优势."

同样的原理允许钳子通过提供额外的杠杆作用来放大用户的握力。同样，如果我们能改变滚轮的形状以产生机械优势，这将放大用户的推力，使推车更容易前进。

我们的算法通过对数百种可能的辊子形状进行建模，并评估每种形状在机械优势和结构强度方面的性能。

后者用于确定给定的滚轮是否会在货物的重量下断裂。正如预测的那样，该算法最终收敛于熟悉的轮轴形状，并确定该形状是最佳的。

在算法执行期间，每个新设计的性能都略好于其前身。我们相信 6,000 年前的矿工也发生了类似的进化过程。

目前尚不清楚最初是什么促使矿工探索替代的辊子形状。一种可能性是滚轮-套筒接口处的摩擦导致周围的木材磨损，导致滚轮在接触点略微变窄。

另一种理论是，矿工们开始减薄压路机，以便他们的推车可以越过地面上的小障碍物。

无论哪种方式，由于机械优势，车轴区域的这种狭窄使推车更容易推动。随着时间的推移，性能更好的设计一再受到青睐，并且制作了新的滚筒来模仿这些表现最好的设计。

因此，滚轮变得越来越窄，直到只剩下一个两端覆盖着大圆盘的细长杆。这种基本的结构标志着我们现在所说的“轮子”的诞生。

根据我们的理论，没有发明轮子的确切时刻。相反，就像物种的进化一样，轮子是从微小改进的积累中逐渐出现的。

这只是轮子漫长而持续的发展中的众多篇章之一。在喀尔巴阡山脉矿工的贡献 5,000 多年后，一位巴黎自行车修理工发明径向球轴承，这再次彻底改变了轮式运输。

具有讽刺意味的是，滚珠轴承在概念上与滚子相同，而滚子是车轮的进化前身。滚珠轴承在车轴周围形成一个环，在车轴和轮毂之间形成滚动界面，从而规避摩擦。通过这项创新，车轮的演变圆满结束。

这个例子还展示了轮子的演变，就像它的标志性形状一样，是如何追踪一条迂回的道路——一条没有明确起点、没有终点的路线，沿途有无数次安静的革命。

凯·詹姆斯， 航空航天工程教授，佐治亚理工学院

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