Думайте, что плавающие пирамиды являются большим количеством метафизики, чем физика? Думайте снова. Результаты только в из эксперимента, поднявшего бумажные пирамиды с открытым дном на порывах воздуха, показывают любопытное явление: Когда дело доходит до дрейфа через воздух завышенные проекты более стабильны, чем тяжелые нижней частью. Открытие может привести к роботам, летящим не как насекомые или птицы, но как медуза.
Физик Цзюнь Чжан и его коллеги в Нью-Йоркском университете хотели лучше понять, как летающие жуки управляют ориентациями своих органов. Они должны работать в нем, или они естественно стабильны?
Робототехника еще не к пункту, в котором машины с колеблющимися крыльями легко сделать, таким образом, бригада Чжана решила моделировать результат колеблющихся крыльев путем создания постоянных листовок, плавающих на движущемся воздухе. Они использовали сабвуфер для колебания воздуха в цилиндре, «действуя как аэродинамическая труба с воздухом, перемещающимся вверх и вниз», объясняет Чжан.
В 10 – 50 ударах в секунду, темп соответствует колебанию крыла на скорости колибри.Исследователи поместили полые бумажные пирамиды в цилиндре.
Объекты были приблизительно 1 – 5 сантиметров высотой и были сделаны из тонкой бумаги или почтовой бумаги на поддержках углеволокна, как крошечные самодельные бумажные змеи. Физик Бен Лю привел эксперименты, приложив перловидный вес к посту, бегущему по центру пирамиды и изменяющему высоту бусинки, чтобы дать объекту различный центр массы.
Здравый смысл говорит, что пирамида должна быть самой стабильной, когда бусинка у основания поста, как балласт в захвате судна. Но когда бригада выпустила пирамиды по сабвуферу, противоположное было верно: тяжелые нижней частью пирамиды, вероятно, перевернут и упадут, тогда как завышенные остались вертикальными, и продолжительный для парения (посмотрите первое видео), отчеты группы в предстоящем выпуске Physical Review Letters.
В воздухе. Пирамида с низко висящим весом не может исправить себя; это остается наклоненным и падения. Завышенная пирамида быстро исправляется и продолжает колебаться.
Кредит: Леиф РистрофБольше научных видео новостей
Бригада подозревала, что результат происходил из-за водоворотов воздуха, развивающихся вдоль сторон пирамиды. Для наблюдения водоворотов в действии группа Чжана исследовала двумерную версию эксперимента пирамиды в воде. Они поместили вверх тормашками V форм в кастрюлю воды и качали ее для создания потоков.
Когда вода бежала мимо этих V, она создала крошечные джакузи в хвостах двух ног V (посмотрите второе видео). Эти водовороты отодвинули от перевернутого V, понижения, проявившего восходящую силу на V-the тот же механизм, создающий лифт в пирамидах.Жидкое движение. Крошечные джакузи появляются как тени в хвостах этих V, сгенерированных водой, текущей вверх и вниз.
Если эти V находятся на одном уровне, водовороты идут вниз, проявление восходящего спешит эти V, но если эти V наклонены, водовороты входят в различные направления, и их объединенный толчок мог выяснить V.Кредит: мусорное ведро ЛюБольше научных видео новостейЕсли эти V были наклонены, однако, водовороты вошли в различные направления: Те на более высокой ноге пихнули его боком, в то время как голень получила более слабый восходящий толчок.
Это выправило бы перевернутое V. Член команды Леиф Ристроф показал, что те же виды водоворотов катятся от сторон пирамид: Они выдвигают пирамиду вертикально, пока центр массы выше наклоненной стороны, очень таким же образом, что Вы можете уравновесить вертикальную палку на конце Вашего пальца путем перемещения нижней части палки в направлении наклона, говорит Чжан. Для тяжелых нижней частью пирамид этот тот же механизм заставляет их щелкать over-it’s как перемещение вершины палки в направлении наклона, поощряя его упасть.Инженер-робототехник Ход Липсон из Корнелльского университета предполагает, что, возможно, уже видел механизм стабильности на работе в колебании, летающие роботы, сделанные в его собственной лаборатории». [Этот результат] открывает новые, неизведанные возможности дизайна», говорит он.
В частности бригада Чжана предполагает, что колебание пирамидой или роботами конуса могло объединить стабильность и маневренность. Они быстро исправили бы себя, если бы они наклонились далее, чем 30 ° в каком-либо направлении, но в 30 °, они должны двинуться свободно. Несмотря на то, что роботы не походили бы ни на какое насекомое, известное энтомологам, колеблющиеся конусы будут иметь живущие аналоги в море.
Вычислительный ученый Петрос Кумоутсэкос из швейцарского федерального Технологического института в Цюрихе, бригада которого сделала компьютерную модель плавающей медузы в 2009, говорит, что медуза создает водовороты воды, подобной водоворотам воздуха, уравновешивающим пирамиды.«Бригада предлагает очень уникальный и интересный подход», говорит Хао Лю, биомеханический инженер в университете Чибы в Японии.
Он ждет экспериментов, чтобы показать, что колебание пирамидами и конусами может остаться наверх.