Simulaciones por ordenador revelan el improbable nacimiento de una tecnología que cambió el mundo hace casi 6.000 años.
© Comstock/Getty imagesSe suponía que la rueda evolucionó a partir de rodillos de madera
Se ha resignado a la extenuante monotonía de la vida minera. Entonces, una tarde, ve a un compañero haciendo algo extraordinario.
Con un artilugio de aspecto extraño, transporta despreocupadamente el equivalente a tres veces su peso corporal en un solo viaje. Cuando vuelve a la mina a por otra carga, usted se da cuenta de que su profesión está a punto de ser mucho menos agotadora y mucho más lucrativa.
De lo que no se da cuenta es de que: está siendo testigo de algo que cambiará el curso de la historia, no sólo para su pequeña comunidad minera, sino para toda la humanidad.
© Kai James via DALL·EIlustración del aspecto que podían tener los carros mineros originales utilizados en los Cárpatos en el 3900 a.C.
La teoría se apoya en el descubrimiento de más de 150 vagones en miniatura por parte de arqueólogos que trabajan en la región. Estos pequeños modelos de cuatro ruedas estaban hechos de arcilla, y sus superficies exteriores estaban grabadas con un patrón de mimbre que recordaba a la cestería utilizada por las comunidades mineras de la época. La datación por carbono reveló posteriormente que estos carros son las primeras representaciones conocidas de transporte sobre ruedas hasta la fecha.
Esta teoría también plantea una cuestión de especial interés para mí, un ingeniero aeroespacial que estudia la ciencia del diseño de ingeniería. ¿Cómo descubrió la rueda una sociedad minera oscura y científicamente ingenua, cuando civilizaciones muy avanzadas, como los antiguos egipcios, no lo hicieron?
Una idea controvertida
Durante mucho tiempo se ha supuesto que las ruedas evolucionaron a partir de simples rodillos de madera. Pero hasta hace poco nadie podía explicar cómo o por qué se produjo esta transformación. Es más, a partir de la década de 1960, algunos investigadores empezaron a expresar serias dudas sobre la teoría del rodillo a la rueda.
Después de todo, para que los rodillos sean útiles, necesitan un terreno llano y firme y un camino sin pendientes ni curvas cerradas. Además, una vez que el carro pasa por ellos, los rodillos usados deben ser llevados continuamente al frente de la línea para mantener la carga en movimiento. Por todas estas razones, el mundo antiguo utilizaba los rodillos con moderación. Según los escépticos, los rodillos eran demasiado raros y poco prácticos para haber sido el punto de partida de la evolución de la rueda.
Pero una mina -con sus pasillos cerrados y construidos por el hombre- habría proporcionado condiciones favorables para los rodillos. Este factor, entre otros, obligó a mi equipo a revisar la hipótesis de la rueda.
© Kai JamesEtapas clave en la evolución de las primeras ruedas, partiendo de simples rodillos y llegando finalmente a una estructura de rueda y eje en la que un eje delgado está conectado a grandes discos macizos, o ruedas, en ambos extremos.
La transición de los rodillos a las ruedas requiere dos innovaciones clave. La primera es una modificación del carro que transporta la carga. La base del carro debe equiparse con encajes semicirculares que sujeten los rodillos. De este modo, cuando el operario tira del carro, los rodillos son arrastrados con él.
Esta innovación puede haber estado motivada por la naturaleza confinada del entorno de la mina, donde tener que llevar periódicamente los rodillos usados de vuelta a la parte delantera del carro habría sido especialmente oneroso.
El descubrimiento de los rodillos con encaje representó un punto de inflexión en la evolución de la rueda y allanó el camino para la segunda y más importante innovación. El siguiente paso consistió en modificar los propios rodillos. Para entender cómo y por qué se produjo este cambio, recurrimos a la física y a la ingeniería asistida por ordenador.
Simulación de la evolución de la rueda
Para comenzar nuestra investigación, creamos un programa informático diseñado para simular la evolución de un rodillo a una rueda. Nuestra hipótesis era que esta transformación estaba impulsada por un fenómeno llamado «ventaja mecánica». Este mismo principio permite que los alicates amplifiquen la fuerza de agarre de un usuario al proporcionarle una palanca añadida. Del mismo modo, si pudiéramos modificar la forma del rodillo para generar una ventaja mecánica, esto amplificaría la fuerza de empuje del usuario, facilitando el avance del carrito.
Nuestro algoritmo modelaba cientos de posibles formas de rodillo y evaluaba su rendimiento, tanto en términos de ventaja mecánica como de resistencia estructural. Esta última se utilizó para determinar si un rodillo determinado se rompería bajo el peso de la carga. Como se preveía, el algoritmo acabó convergiendo en la forma familiar de rueda y eje, que consideró óptima.
© Kai JamesSimulación por ordenador de la evolución de un rodillo a una estructura de rueda y eje. Cada imagen representa un diseño evaluado por el algoritmo. La búsqueda converge finalmente en el diseño conocido de rueda y eje.
No está claro qué llevó inicialmente a los mineros a explorar formas alternativas de rodillos. Una posibilidad es que la fricción en la interfaz entre el rodillo y el encaje provocara el desgaste de la madera circundante, lo que llevó a un ligero estrechamiento del rodillo en el punto de contacto. Otra teoría es que los mineros empezaron a adelgazar los rodillos para que sus carros pudieran pasar por encima de pequeños obstáculos en el suelo.
En cualquier caso, gracias a la ventaja mecánica, este estrechamiento de la zona del eje facilitaba el empuje de los carros. Con el paso del tiempo, los diseños con mejores prestaciones se fueron imponiendo a los demás y se crearon nuevos rodillos para imitarlos.
En consecuencia, los rodillos se hicieron cada vez más estrechos, hasta que todo lo que quedó fue una delgada barra rematada en ambos extremos por grandes discos. Esta estructura rudimentaria marca el nacimiento de lo que hoy llamamos «la rueda».
Según nuestra teoría, no hubo un momento preciso en el que se inventara la rueda. Más bien, al igual que la evolución de las especies, la rueda surgió gradualmente a partir de una acumulación de pequeñas mejoras.
Éste es sólo uno de los muchos capítulos de la larga y continua evolución de la rueda. Más de 5.000 años después de las aportaciones de los mineros de los Cárpatos, un mecánico de bicicletas parisino inventó los rodamientos radiales de bolas, que revolucionaron una vez más el transporte sobre ruedas.
© NTNRodamiento radial de bolas autoalineable de doble hilera
Este ejemplo también muestra cómo la evolución de la rueda, al igual que su forma icónica, sigue un camino tortuoso, sin un principio ni un final claros, y con innumerables revoluciones silenciosas a lo largo del camino.
Dr. Kai A. James
El Dr. Kai A. James se incorporó al cuerpo docente de la Escuela Guggenheim de Ingeniería Aeroespacial de Georgia Tech en agosto de 2022. Anteriormente, fue profesor en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (2015-2022) y científico de investigación postdoctoral en la Universidad de Columbia (2012-2015). Los intereses de investigación del Dr. James se centran en las áreas de la mecánica computacional y la optimización del diseño multidisciplinar, con especial atención a los problemas relacionados con estructuras y mecanismos complejos y no lineales. Está especialmente interesado en desarrollar algoritmos novedosos que aprovechen modelos computacionales de alta fidelidad y métodos de optimización numérica
Comentarios del Lector
a nuestro Boletín