Ещё

Физики выяснили, почему двухколесный чемодан норовит перевернуться 

Фото: NChamunee / Фотодом / Shutterstock
Многие владельцы двухколесных туристических чемоданов замечали, что, если везти их слишком быстро, чемоданы становятся неустойчивыми. Это явление давно интересовало ученых, однако до сих пор физики рассматривали качающийся чемодан как простой маятник.
Теперь исследователи доказали, что двухколесные чемоданы опрокидывают незатухающие колебания, возникающие после резкого изменения направления движения или после того, как чемодан наткнется колесом на какое-нибудь препятствие на земле.
Незатухающими называют колебания, амплитуда которых со временем не убывает, а остается постоянной. В чемодане эти колебания возникают после того, как колесо наткнется на камень. В результате чемодан начинает качаться от одного колеса к другому, что приводит к усилению амплитуды — наибольшему отклонению чемодана от положения равновесия.
И, если в радиотехнике незатухающие колебания «работают на человечество», позволяя нам общаться по радиотелефону, то в случае двухколесного чемодана эти же колебания провоцируют диссипацию — процесс, при котором часть энергии упорядоченных процессов переходит в энергию неупорядоченных процессов.
Это приводит к росту нестабильности системы, которая заставляет колеса двигаться волнообразно и может либо опрокинуть чемодан, либо вывести его в предельный цикл, в результате которого чемодан «поймает ритм» и сохранит устойчивость. Чтобы выяснить, как нужно действовать, чтобы не дать перевернуться качающемуся чемодану, французские ученые изготовили миниатюрную модель чемодана и поставили ее на беговую дорожку.
Модель представляла собой алюминиевый стержень квадратного сечения, длиной 230 мм. На нижнем конце стержня была закреплена ось вращения для двух колес 6 мм в диаметре. Верхний конец стержня крепился к тяжелой неподвижной раме с универсальным шарниром, вокруг которого чемодан свободно вращается в любом направлении. Чемодан «нагрузили» двумя одинаковыми латунными цилиндрами массой 82,5 граммов каждый. Цилиндры закрепили на двух концах рамы, и закрепили раму на стержне — главной оси чемодана. Рама между двумя цилиндрами всегда была параллельна оси колес.
Физики изучали, как динамика чемодана зависит от геометрии системы и от скорости его движения, прокатывая модель чемодана по беговой дорожке. Изменения положения чемодана фиксировалось при помощи видеозаписи, «нарисовать» график смещения чемодана помогли закрепленные на его колесах светодиоды. Тесты проводились в условиях, имитирующих препятствие под колесом и резкое изменение направления движения.
На основании экспериментов физики построили теоретическую модель, описывающей движения чемодана. Они учли воздействие силы гравитации, наличие и отсутствие скольжения и другие факторы, которые смогли бы повлиять на устойчивость чемодана в реальной жизни.
Выяснилось, что, если увеличить скорость, с которой движется чемодан, воздействие силы гравитации способно снизить амплитуду незатухающих колебаний. Таким образом, чтобы начавший шататься чемодан не перевернулся, нужно везти его не медленнее, как подсказывает повседневный опыт, а быстрее.
Этот неочевидный вывод имеет большое значение для практики грузоперевозок. Кроме того, выявленная учеными физическая закономерность может помочь достичь лучших результатов спортсменам-конькобежцам.
Статья опубликована в журнале Proceedings of the The Royal Society A.
Комментарии1
Читайте также
Новости партнеров
Больше видео