Simulações revelam como a roda foi inventada; há 6 mil anos

Imagine que você é um minerador de cobre no sudeste da Europa no ano 3900 a.C. 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 somente 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 mil 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 lembra 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 os roletes serem úteis, eles precisam de um terreno plano e firme e de um caminho sem inclinações e curvas acentuadas. Além disso, depois que a carroça passa 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. Segundo 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 passagens 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 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 aplicativo 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 mil 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 passar 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 passar 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 somente um dos muitos capítulos da longa e contínua evolução da roda. Mais de 5 mil 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.

Com informações de: Metrópoles.