紀元前3900年の東南ヨーロッパで銅鉱夫である自分を想像してみよう。日々、あなたは鉱山の蒸し暑いトンネルを通って銅鉱石を運んでいる。
あなたは鉱山生活の過酷な単調さに諦めを感じている。そんなある日の午後、同僚の作業員が驚くべきことをしているのを目撃する。
奇妙な形の装置で、彼は自分の体重の3倍に相当する重量を1回の運搬で軽々と運んでいる。次の荷物を取りに鉱山へ戻る彼を見て、突然あなたは悟る。選んだ職業がもうすぐはるかに楽で、はるかに収益性の高いものになるということを。
あなたが気づいていないのは、歴史の流れを変えるもの—あなたの小さな鉱山コミュニティだけでなく、全人類にとって—を目撃しているということである。
車輪の計り知れない影響にもかかわらず、誰が発明したのか、いつどこで最初に考案されたのかを確実に知る者はいない。上記で説明した仮想的なシナリオは、現在のハンガリーにあるカルパティア山脈の鉱夫が約6,000年前に銅鉱石を運搬する手段として車輪を最初に発明したという2015年の理論に基づいている。
この理論は、考古学者がこの地域で150を超える小型化された馬車を発見したことによって支持されている。これらの小さな4輪モデルは粘土で作られ、その外面には当時の鉱山コミュニティが使用していた籠細工を彷彿とさせる編み細工パターンが刻まれていた。炭素年代測定により、これらの馬車が現在までに知られている車輪輸送の最古の描写であることが後に明らかになった。
この理論はまた、工学設計の科学を研究する航空宇宙エンジニアである私にとって特に興味深い疑問を提起する。古代エジプト人のような高度に発達した文明が発明しなかった車輪を、科学的に無知な無名の鉱山社会がどのようにして発見したのか？
議論の分かれる考え
車輪は単純な木製のローラーから進化したと長い間想定されてきた。しかし最近まで、この変化がどのように、なぜ起こったのかを説明できる者はいなかった。さらに、1960年代から一部の研究者は、ローラーから車輪への理論について強い疑問を表明し始めた。
結局のところ、ローラーが有用であるためには、平坦で固い地形と、傾斜や急カーブのない道が必要である。さらに、カートがローラーを通過すると、使用済みのローラーを継続的に列の前方に運んで貨物を動かし続ける必要がある。これらすべての理由により、古代世界ではローラーはわずかしか使用されなかった。懐疑論者によれば、ローラーは稀すぎて非実用的すぎて、車輪の進化の出発点になり得なかったのである。
しかし鉱山は、その閉鎖された人工の通路により、ローラーにとって有利な条件を提供していたであろう。この要因は、他の要因とともに、我々のチームがローラー仮説を再検討するよう促した。
転換点
ローラーから車輪への移行には2つの重要な革新が必要である。最初は貨物を運ぶカートの改良である。カートの底部は、ローラーを所定の位置に保持する半円形のソケットを装備する必要がある。このようにして、オペレーターがカートを引くと、ローラーも一緒に引かれる。
この革新は、使用済みローラーを定期的にカートの前方に運ぶことが特に煩わしい鉱山環境の制約された性質によって動機づけられた可能性がある。
ソケット付きローラーの発見は車輪の進化における転換点を表し、2番目で最も重要な革新への道を開いた。この次のステップはローラー自体の変更を含んでいた。この変化がどのように、なぜ起こったかを理解するために、我々は物理学とコンピュータ支援工学に目を向けた。
車輪の進化のシミュレーション
我々の調査を始めるために、ローラーから車輪への進化をシミュレートするように設計されたコンピュータプログラムを作成した。我々の仮説は、この変化が「機械的優位性」と呼ばれる現象によって推進されたというものであった。この同じ原理により、ペンチは追加的なレバレッジを提供することでユーザーの握力を増幅することができる。同様に、機械的優位性を生成するためにローラーの形状を変更できれば、これはユーザーの押す力を増幅し、カートを前進させることを容易にするであろう。
我々のアルゴリズムは、何百もの潜在的なローラー形状をモデル化し、機械的優位性と構造強度の両方の観点から各々の性能を評価することによって動作した。後者は、与えられたローラーが貨物の重量で破損するかどうかを決定するために使用された。予測通り、アルゴリズムは最終的に馴染みのある車輪と車軸の形状に収束し、これが最適であると決定した。
アルゴリズムの実行中、各新しい設計は前任者よりもわずかに優れた性能を示した。我々は、6,000年前の鉱夫たちにも同様の進化過程が展開されたと信じている。
鉱夫たちが代替的なローラー形状の探求を最初に始めた動機は不明である。一つの可能性は、ローラーとソケットの接触面での摩擦により周囲の木材が摩耗し、接触点でローラーがわずかに細くなったことである。別の理論では、鉱夫たちがカートが地面の小さな障害物を通過できるようにローラーを細くし始めたというものである。
いずれにせよ、機械的優位性のおかげで、車軸領域のこの細化によりカートを押すことが容易になった。時が経つにつれて、より良い性能の設計が他のものよりも繰り返し好まれ、新しいローラーはこれらの優秀な性能のものを模倣するように作られた。
その結果、ローラーはますます細くなり、残ったのは両端を大きな円盤で覆われた細い棒だけであった。この初歩的な構造が、我々が現在「車輪」と呼ぶものの誕生を示している。
我々の理論によれば、車輪が発明された正確な瞬間は存在しなかった。むしろ、種の進化と同様に、車輪は小さな改良の蓄積から徐々に出現したのである。
これは車輪の長く継続する進化における多くの章の一つに過ぎない。Carpathian鉱夫たちの貢献から5,000年以上後、パリの自転車整備士がラジアルボールベアリングを発明し、これが再び車輪付き輸送に革命をもたらした。
皮肉なことに、ボールベアリングは車輪の進化の前身であるローラーと概念的に同一である。ボールベアリングは車軸の周りにリングを形成し、車軸と車輪ハブの間に回転インターフェースを作り、それによって摩擦を回避する。この革新により、車輪の進化は完全な円を描いた。
この例はまた、車輪の進化が、その象徴的な形状と同様に、回りくどい道筋—明確な始まりも終わりもなく、その道筋に沿って無数の静かな革命を伴う道筋—をたどることを示している。
