رمزگشایی فیزیک حلقوی هولاهوپینگ با سنسورهای زلزله با تکنولوژی بالا

توسط لیلا تولین، دانشگاه کالیفرنیا - برکلی

ویرایش شده توسط گابی کلارک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

هولا هوپ کردن ممکن است به معنای واقعی کلمه یک بازی کودکانه باشد، اما همانطور که مشخص است، فیزیک پشت پایه کلاس ورزش به قدری پیچیده است که دانشمندان چندین دهه تلاش کرده اند تا بفهمند چگونه هولا هوپ از گرانش سرپیچی می کند.

مقالات علمی متعددی به این معمای کوچک اختصاص داده شده است: چگونه باسن و پاهای فرد با اصطکاک و نیروهای گریز از مرکز برای نگه داشتن یک اسباب بازی ساده در هوا در حال چرخش هستند؟ این سوال هنوز حل نشده، تیمی از مهندسان وابسته به UC Berkeley را بر آن داشت تا با استفاده از روشی نوآورانه برای تجزیه و تحلیل داده‌های ردیابی حرکت، با این مشکل مقابله کنند.

نتایج آنها که اخیرا در ژورنال Nonlinear Dynamics منتشر شده است، 20 سال خرد متعارف را در مورد هولاهوپینگ به چالش می کشد - و راه بهتری برای مدل سازی سیستم های مکانیکی پیچیده مانند چرخش هولا هوپ که می تواند در زمینه هایی مانند توانبخشی فیزیکی و رباتیک مفید باشد، پیشنهاد می کند.

مطالعات قبلی به این نتیجه رسیده بودند که دو مجموعه حرکات متمایز، یکی به جلو و عقب و دیگری جهش عمودی، به طور جداگانه مدار حلقه را در اطراف بدن و تاب خوردن آن به سمت بالا و پایین کنترل می کند. برای دستیابی به این یافته‌ها، این مطالعات از یک روش ریاضی به نام تحلیل مؤلفه‌های اصلی استفاده کردند تا مقدار زیادی از داده‌ها را در واضح‌ترین الگوهای آن تقطیر کنند. اما تجزیه و تحلیل تیم برکلی نشان داد که مدار و لرزش به طور جدایی ناپذیری به هم مرتبط هستند - آنها را نمی توان به دو دسته تمیز تقسیم کرد زیرا یک مجموعه از حرکات بر دیگری تأثیر می گذارد.

محققان برکلی به رهبری اولیور اوریلی، استاد مهندسی مکانیک و معاون آموزشی در مقطع کارشناسی، در ابتدا قصد داشتند با ردیابی حرکت حلقه با یک حسگر تخصصی که 120 عکس فوری در ثانیه از سرعت چرخش، شتاب، نیروی میدان گرانشی و میدان مغناطیسی را جمع‌آوری می‌کرد، مطالعات قبلی را دنبال کنند.

هنگامی که تجزیه و تحلیل اجزای اصلی داده‌های اضافی که جمع‌آوری کرده بودند، آنها را به یافته‌های کاملا متفاوتی نسبت به تیم‌های گذشته هدایت کرد، آنها روش را تغییر دادند و از یک روش ریاضی غیرخطی برای پردازش داده‌های خود استفاده کردند، که نشان داد استخوان‌های ران، ساق پا و پا با هم کار می‌کنند تا حلقه را در چرخش نگه دارند، در حالی که حرکت ران مسئول تکان عمودی اسباب‌بازی است. برخلاف مطالعات قبلی، آنها نشان دادند که چرخش حلقه و تاب خوردن به طور اساسی با هم مرتبط هستند.

تغییر فیزیک هولاهوپینگ هدف اصلی این مطالعه نبود. اوریلی – که قبلا فیزیک چگونگی باز شدن بند کفش و رول‌های کروی دروید BB-8 جنگ ستارگان را تشریح کرده است – با تلاش برای تعیین دقیق حرکات بدن برای هولاهوپ کردن ضروری شروع کرد.

همکاران او، محقق پسادکتری مهندسی سازه، کریستال چرن و اخیرا دکترای برکلی. ترزا هونین، که اکنون استادیار دانشگاه آمریکایی بیروت است، راهی ابداع کرد که حسگرهای با تکنولوژی بالا را تعبیه کند، نوعی که چرن معمولا از آن برای ردیابی واکنش ساختمان‌های مدل به زلزله‌های شبیه‌سازی شده، به حلقه، پای راست و پا استفاده می‌کند. (لسن ها ردیابی نمی شدند، زیرا حسگر به حلقه برخورد می کرد.) سپس چرن، یک ژیمناستیک سابق، در حالی که حسگرها مجموعه عظیمی از داده ها را جمع آوری می کردند، حلقه زد.

هنگامی که آنها سعی کردند نتایج دیگران را با داده های خود تکرار کنند، محققان دریافتند که اعداد با هم جمع نمی شوند. آن مطالعات قبلی از تجزیه و تحلیل مؤلفه‌های اصلی استفاده می‌کردند که بر ریاضیات خطی تکیه می‌کرد - که در آن روابط بین متغیرها با جمع و تفریق هدایت می‌شوند و وقتی نقشه‌برداری می‌شوند به خطوط مستقیم تبدیل می‌شوند - تا انبوهی از داده‌ها را به قوی‌ترین و سازگارترین الگوها تقطیر کنند.

اوریلی گفت: ما واقعا شگفت زده شدیم. "نتایج غالب ... نشان می دهد که حرکت بدن به هیچ وجه بر روی هولاهوپ تاثیر نمی گذارد و بالعکس." اما از نظر منطقی، نمی‌توانست اینطور باشد.

آنها کار خود را مکررا بررسی کردند و متوجه شدند که منطقی است رویکردی به نام تحلیل شبکه عملکردی را امتحان کنند. این تکنیک بر پایه ریاضیات غیرخطی یا نوعی از ریاضیات پشت خطوط منحنی مانند معادلات درجه دوم و نمایی استوار است. با تکیه بر روش نسبتا جدیدی که Honein از محققی در دانشگاه فناوری هامبورگ آموخته بود، آنها یک بار دیگر داده ها را تجزیه و تحلیل کردند. این بار نتایج منطقی بود.

آنها مشخص کردند که مدار هولا هوپ به دور کمر چرن پروژه مشترک استخوان ران یا استخوان ران است. درشت نی یا ساق پا؛ و متاتارس ها یا استخوان های بلند قسمت میانی پا. استخوان ران و درشت نی مانند دستگیره های شیر آب پیچ خورده بودند، در حالی که پاهایش را خم می کرد و صاف می کرد، استخوان درشت نی به سمت بالا و پایین حرکت می کرد، و متاتارس او در حالی که وزنش را از لبه داخلی به بیرونی پایش تکان می داد، جابجا می شد. اوریلی گفت که نقش مهمی که مچ پا و پا ایفا کردند، محققان را شگفت زده کرد.

هنگام چرخش هولاهوپ، حلقه کاملا موازی با زمین نمی ماند، بلکه به سمت بالا و پایین متمایل می شود. استخوان‌های ران چرن در حین چرخش در حفره‌های خود بر این تلوتلو خوردن تأثیر می‌گذاشتند. از آنجایی که نمی‌توانید استخوان ران را بدون چرخاندن استخوان درشت نی به این شکل حرکت دهید، نمی‌توانید کارهایی را که چرخش حلقه را تشکیل می‌دهند از آن‌هایی که باعث تکان خوردن آن می‌شوند، جدا کنید.

در حالی که این تحقیق بر روی یک اسباب‌بازی دهه 1950 تمرکز دارد، پیامدهای این تحقیق به دور از اهمیت است. این یافته‌ها می‌تواند به مدل‌های بهتری از نحوه برداشتن قدم‌های افراد با کمک واکر منجر شود، به عنوان مثال، که به فیزیوتراپ‌ها کمک می‌کند تا بر توانبخشی ضروری‌ترین حرکات تمرکز کنند. Honein افزود: این نوع آنالیز حرکت می تواند در طراحی پروتز یا روباتیک نیز مفید باشد.

اوریلی اعتراف کرد که کمی ناامید شده است که پروژه آنها به پایان رسیده است. آوردن هولا هوپ به کار و بررسی ریاضیات پیچیده ای که باعث چرخش آن می شد، واقعا سرگرم کننده بود. همکارهای اوریلی حتی زمانی که این سه نفر در حال ملاقات بودند، "روح و جرقه" را در هوای کالیفرنیا هال دریافت کرده بودند.

او گفت: «این فقط یک همکاری فوق‌العاده بود که با کنجکاوی شروع شد و بسیار جالب‌تر از آنچه تصور می‌کردیم شد.

کریستال چرن و همکاران، سمفونی چرخش‌هایی که حرکات ثابت یک هولاهوپ را تولید می‌کنند: بینش‌هایی از تحلیل شبکه، دینامیک غیرخطی (2026). DOI: 10.1007/s11071-026-13058-7

ارائه شده توسط دانشگاه کالیفرنیا - برکلی

کارشناسی ارشد زبان انگلیسی، ویرایشگر کپی از سال 2021 با تجربه در آموزش عالی و محتوای بهداشتی. تقدیم به اخبار معتبر علمی. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →