Хула-хуп: магия или наука?
Хулахуп — одна из самых известных игрушек в истории, однако научная сторона этого явления изучена мало. Некоторые из нас — мастера вращения, в то время как другие не могут сделать и одного оборота. Так как же хулахупы не падают во время вращения, и почему у одних это получается лучше, чем у других?
Современные хулахупы — это пластиковые кольца, которые вы вращаете вокруг своего тела, двигая бедрами. Эти вращательные движения похожи на те, что можно увидеть в гавайском танце хула (отсюда и название).
Есть свидетельства того, что люди занимались чем-то похожим на вращение хулахупа «еще в 500 году до нашей эры», — говорит Оливия Померанк, докторант математики в Нью-Йоркском университете. Это развлечение снова и снова появляется «в бесчисленном множестве культур как форма отдыха, религиозной церемонии или упражнения».
Учитывая долгую историю этого занятия, можно было бы подумать, что «к этому моменту оно изучено досконально, но на самом деле это не так», — рассказала Померанк. До недавнего времени исследования вращения хулахупа в основном ограничивались двумерными моделями вращающегося обруча, «а не полной трехмерной системой», — отметила она. Таким образом, предыдущие работы не могли дать ответ на вопрос, как хулахупы удерживаются от падения.
В исследовании 2024 года, опубликованном в журнале PNAS, Померанк и ее коллеги решили изучить этот головокружительный вопрос.
«Нашу лабораторию, как правило, привлекают такие необычные, на первый взгляд, простые системы», — сказала Померанк. «Многие проблемы, которые мы изучаем, после их описания вызывают реакцию: «Постойте, как это до сих пор никто не решил?» Проблема хулахупа ничем не отличается».
Чтобы пролить свет на этот вопрос, Померанк и ее коллеги создали миниатюрных роботов, вращающих хулахуп. Они напечатали на 3D-принтере пластиковые объекты высотой около 17 см различной формы, например, цилиндры, конусы и песочные часы. Затем они заставили эти фигуры вращаться с помощью мотора, чтобы раскрутить обручи шириной около 15 см, и использовали компьютерное программное обеспечение для анализа высокоскоростных видеозаписей получившихся движений.
Исследователи обнаружили, что стабильное вращение обруча вокруг этих роботов возможно при определенном диапазоне вращательных движений или форм тел. Для стабильного вращения необходимо сначала запустить обруч с достаточной скоростью в том же направлении, в котором вращается ваше тело. После этого центробежная сила и сила трения от качения могут поддерживать стабильное вращение обруча.
Однако удерживать обруч от падения под действием силы тяжести в течение значительного времени сложнее. В идеале, «у тела должны быть «бедра», чтобы обеспечить правильный угол для подталкивания обруча вверх, а также «талия» с изгибами, чтобы удерживать его на месте», — говорит старший автор исследования Лейф Ристроф, прикладной математик и физик-экспериментатор из Нью-Йоркского университета.
Эти результаты позволили предположить, что люди с фигурой в форме песочных часов могут быть прирожденными мастерами вращения хулахупа. Однако, «мы надеемся, что никто не воспримет наши результаты как утверждение, что они не могут вращать хулахуп из-за своей фигуры», — сказал Ристроф. «Мы думаем, что это под силу каждому, и, возможно, для разных форм тела потребуются немного дополнительные усилия или другая стратегия, отличная от той, что мы исследовали в наших экспериментах».
Полученные результаты не только помогают объяснить знакомое, но плохо изученное явление, но также могут указать на множество применений, связанных с «преобразованием одного типа движения в другой или подвешиванием и позиционированием объектов без необходимости их захватывать», — сказал Ристроф.
Например, легким движением тела хороший мастер вращения хулахупа может запустить обруч по большой орбите, отметил Ристроф. Это могло бы вдохновить на новые способы «сбора или восстановления энергии от вибраций», — объяснил он.
Другое возможное применение может быть связано с управлением объектами без непосредственного контакта с ними, сказала Померанк. Например, исследование представило относительно простой способ контролировать вертикальное положение вращающегося обруча вокруг тела, не захватывая его.
«Если вы можете поднять что-то вверх или опустить вниз контролируемым образом, никогда не удерживая это в традиционном смысле, это может быть полезно в роботизированных захватах — например, для удержания одного или нескольких предметов, или даже для эффективной вертикальной транспортировки предметов на заводе или строительной площадке», — сказала Померанк.
Сообщение Хула-хуп: магия или наука? появились сначала на DGL.RU - Цифровой мир: новости, тесты, обзоры телефонов, планшетов, ноутбуков.