Simulações de computador revelam como a roda foi inventada, 6 mil anos atrás
Há muito tempo, as pessoas supõem que as rodas evoluíram de simples rolos de madeira. Mas como? E por quê? Um novo modelo focado na...
The Conversation|Do R7
Imagine que você é um minerador de cobre no sudeste da Europa no ano 3900 AEC. Dia após dia, você transporta minério pelos túneis escaldantes da mina.
Você já se conformou com a monotonia estafante da vida na mineração. Então, em uma tarde, você testemunha um colega de trabalho fazendo algo extraordinário.
Com uma engenhoca de aparência estranha, ele transporta o equivalente a três vezes o seu peso corporal em uma única viagem. Quando ele retorna à mina para buscar outra carga, de repente você se dá conta de que a profissão que escolheu está prestes a se tornar muito menos cansativa e muito mais lucrativa.
O que você não percebe é que está testemunhando algo que mudará o curso da História - não apenas para sua pequena comunidade de mineração, mas para toda a Humanidade.
Apesar do impacto imensurável da roda, ninguém sabe ao certo quem a inventou, nem quando e onde ela foi concebida pela primeira vez. O cenário hipotético descrito acima é baseado em uma teoria de 2015 de que os mineiros dos Montes Cárpatos, na atual Hungria, inventaram a roda há quase 6.000 anos como meio de transporte de minério de cobre.
A hipótese é apoiada pela descoberta de mais de 150 miniaturas de vagões feita por arqueólogos que trabalharam na região. Esses modelos de quatro rodas, de tamanho pequeno, eram feitos de argila e suas superfícies externas eram gravadas com um padrão de vime que lembrava a cestaria usada pelas comunidades mineradoras da época. Mais tarde, a datação por carbono revelou que esses vagões são as primeiras representações de transporte com rodas conhecidas até o momento.
Essa hipótese também levanta uma questão de interesse particular para mim, um engenheiro aeroespacial que estuda a ciência dos projetos de engenharia. Como uma sociedade mineradora obscura e cientificamente ingênua descobriu a roda, quando civilizações altamente avançadas, como os antigos egípcios, não o fizeram?
Uma ideia controversa
Há muito tempo se supõe que as rodas evoluíram de simples rolos de madeira. Mas até recentemente ninguém conseguia explicar como ou por que essa transformação ocorreu. Além disso, a partir da década de 1960, alguns pesquisadores começaram a expressar fortes dúvidas sobre a teoria do “rolo-para-a-roda”.
Afinal, para que os roletes sejam úteis, eles precisam de um terreno plano e firme e de um caminho sem inclinações e curvas acentuadas. Além disso, depois que a carroça a por eles, os roletes usados precisam ser continuamente trazidos para a frente da fila para manter a carga em movimento. Por todos esses motivos, o mundo antigo usava os roletes com parcimônia. De acordo com os céticos, os roletes eram muito raros e pouco práticos para terem sido o ponto de partida para a evolução da roda.
Mas uma mina, com suas agens fechadas e feitas pelo homem, teria proporcionado condições favoráveis para os rolos. Esse fator, entre outros, obrigou minha equipe a rever a hipótese dos roletes.
Um ponto de virada
A transição de roletes para rodas exige duas inovações importantes. A primeira é uma modificação no carrinho que transporta a carga. A base do carrinho deve ser equipada com soquetes semicirculares, que mantêm os roletes no lugar. Dessa forma, quando o operador puxa o carrinho, os roletes são puxados junto com ele.
Essa inovação pode ter sido motivada pela natureza confinada do ambiente da mina, onde ter que carregar periodicamente os roletes usados de volta para a frente do carrinho teria sido especialmente oneroso.
A descoberta dos roletes com soquete representou um ponto de virada na evolução da roda e abriu caminho para a segunda e mais importante inovação. Essa próxima etapa envolveu uma mudança nos próprios roletes. Para entender como e por que essa mudança ocorreu, recorremos à física e à engenharia assistida por computador.
Simulando a evolução da roda
Para começar nossa investigação, criamos um programa de computador projetado para simular a evolução de um rolo para uma roda. Nossa hipótese era que essa transformação era impulsionada por um fenômeno chamado “vantagem mecânica”. Esse mesmo princípio permite que o alicate amplie a força de preensão do usuário ao proporcionar maior alavancagem. Da mesma forma, se pudéssemos modificar o formato do rolete para gerar vantagem mecânica, isso amplificaria a força de empurrar do usuário, facilitando o avanço do carrinho.
Nosso algoritmo funcionou modelando centenas de possíveis formatos de roletes e avaliando o desempenho de cada um deles, tanto em termos de vantagem mecânica quanto de resistência estrutural. Essa última foi usada para determinar se um determinado rolete quebraria com o peso da carga. Como previsto, o algoritmo acabou convergindo para o formato familiar de roda e eixo, que ele determinou ser o ideal.
Durante a execução do algoritmo, cada novo design teve um desempenho ligeiramente melhor que o anterior. Acreditamos que um processo evolutivo semelhante ocorreu com os mineiros há 6.000 anos.
Não está claro o que inicialmente levou os mineiros a explorar formas alternativas de rolos. Uma possibilidade é que o atrito na interface rolo-soquete tenha causado o desgaste da madeira ao redor, levando a um ligeiro estreitamento do rolo no ponto de contato. Outra teoria é que os mineiros começaram a afinar os roletes para que seus carrinhos pudessem ar por cima de pequenas obstruções no chão.
De qualquer forma, graças à vantagem mecânica, esse estreitamento da região do eixo tornou os carrinhos mais fáceis de empurrar. Com o ar do tempo, os projetos de melhor desempenho foram repetidamente favorecidos em relação aos outros, e novos roletes foram criados para imitar esses de melhor desempenho.
Consequentemente, os roletes foram se tornando cada vez mais estreitos, até que tudo o que restou foi uma barra fina coberta em ambas as extremidades por grandes discos. Essa estrutura rudimentar marca o nascimento do que hoje chamamos de “roda”.
De acordo com nossa teoria, não houve um momento exato em que a roda foi inventada. Em vez disso, assim como a evolução das espécies, a roda surgiu gradualmente de um acúmulo de pequenas melhorias.
Esse é apenas um dos muitos capítulos da longa e contínua evolução da roda. Mais de 5.000 anos após as contribuições dos mineiros dos Cárpatos, um mecânico de bicicletas parisiense inventou os rolamentos de esferas radiais, que mais uma vez revolucionaram o transporte sobre rodas.
Ironicamente, os rolamentos de esferas são conceitualmente idênticos aos roletes, o precursor evolutivo da roda. Os rolamentos de esferas formam um anel ao redor do eixo, criando uma interface de rolagem entre o eixo e o cubo da roda, contornando assim o atrito. Com essa inovação, a evolução da roda completou o círculo.
Esse exemplo também mostra como a evolução da roda, assim como sua forma icônica, traça um caminho tortuoso, sem início nem fim claros e com inúmeras revoluções silenciosas ao longo do caminho.
Kai James recebe financiamento da National Science Foundation.