Чарльз Чой —
Хула-хуп — одна из самых известных игрушек в истории, но наука, стоящая за ним, привлекла мало внимания. Некоторые из нас — мастера крутить, в то время как другие не могут сделать больше одного оборота. Так как же хула-хупы не падают во время вращения, и почему некоторые из нас делают это лучше, чем другие?
Современные хула-хупы — это пластиковые кольца, которые вы вращаете вокруг своего тела, двигая бедрами. Это вращательное движение похоже на то, что можно увидеть в гавайском танце, известном как хула (отсюда и название). Есть свидетельства того, что люди занимались вращением, похожим на хула-хуп, «еще в 500 году до нашей эры», — говорит Оливия Померенк , докторант по математике в Нью-Йоркском университете. Это снова и снова появляется «во множестве культур как форма отдыха, религиозной церемонии или упражнения». Учитывая долгую историю этого занятия, можно подумать, что «на данный момент оно изучено досконально, но на самом деле это не так», — сказала Померенк Live Science. До недавнего времени исследования вращения обруча в основном ограничивались двухмерными моделями вращающегося обруча, «а не полной трехмерной системой», отметила она. Таким образом, эта предыдущая работа не могла ответить на вопрос, как обручи могут не падать.
В исследовании 2024 года, опубликованном в журнале PNAS , Померенк и его коллеги решили изучить этот головокружительный вопрос. «Наша лаборатория склонна тяготеть к этим причудливым, на первый взгляд простым системам», — сказал Померенк. «Многие изучаемые нами проблемы при описании вызывают реакцию: «Подождите, как это еще никто не решил?» Эта задача с обручем — не исключение».
По теме: Можем ли мы остановить время?
Чтобы пролить свет на этот вопрос, Померенк и ее коллеги создали миниатюрных роботов Hula-Hoopers. Они напечатали на 3D-принтере пластиковые предметы высотой около 6,7 дюймов (17 сантиметров) и имели различные формы, такие как цилиндры, конусы и песочные часы. Затем они заставили формы вращаться с помощью двигателя, чтобы они вращались вокруг обручей шириной около 6 дюймов (15 см), и использовали компьютерное программное обеспечение для анализа высокоскоростных видеозаписей полученных движений. Исследователи обнаружили, что стабильное вращение обруча вокруг этих роботов было возможно при заданном диапазоне вращательных движений или тел. Для стабильного вращения вы должны начать с броска обруча с достаточной скоростью в том же направлении, что и вращение вашего тела. После этого центробежная сила и трение от качения могут поддерживать стабильное вращение обруча. Однако удерживать обруч против силы тяжести в течение значительного периода времени сложнее. В идеале «тело должно иметь «бедра», чтобы обеспечить правильный угол для подталкивания обруча, но также и «талию» с изгибами, чтобы удерживать его на месте», — сказал старший автор исследования Лейф Ристроф , прикладной математик и экспериментальный физик из Нью-Йоркского университета.
Крутильщики хула-хупа добиваются лучших результатов, если их тело имеет правильный наклон и изгиб.(Изображение предоставлено Лабораторией прикладной математики Нью-Йоркского университета)
Эти результаты говорят о том, что люди с фигурой «песочные часы» могут быть от природы крутящими обручи. Однако «мы надеемся, что никто не воспримет наши результаты как то, что они не могут крутить обруч из-за своей формы тела», — сказал Ристроф Live Science. «Мы думаем, что каждый может, и, возможно, для других форм могут потребоваться дополнительные усилия или стратегия, отличная от той, что мы исследовали в наших экспериментах». По словам Ристрофа, результаты не только помогают объяснить знакомую, но плохо изученную деятельность, но и могут указать на множество ее применений, включающих «преобразование одного типа движения в другой или подвешивание и позиционирование объектов без необходимости их захвата или схватывания». Например, с помощью лишь легкого движения тела хороший крутильщик обруча может запустить обруч в полете по большим орбитам, отметил Ристроф. Это может вдохновить на новые способы «сбора или восстановления энергии из вибраций», объяснил он.
Другое возможное применение может включать управление объектами без фактического удержания их, сказал Померенк. Например, исследование представило относительно простой способ управления вертикальным положением вращающегося обруча вдоль тела, не хватаясь за него. «Если вы можете поднять что-то вверх или опустить вниз контролируемым образом, не удерживая это в традиционном смысле, это может быть полезно для роботизированного захвата — например, для удержания одного или нескольких предметов или даже, возможно, для эффективной вертикальной транспортировки предметов на заводе или в строительной отрасли», — сказал Померенк.
фото: Успешное вращение требует синхронности с вращением обруча и вращательными движениями тела. (Изображение предоставлено: Клаус Ведфельт через Getty Images)