Η Φυσική πίσω από το βάδισμα με μια κούπα καφέ στο χέρι

Μια σχηματική απεικόνιση του συστήματος μεταφερόμενου εκκρεμούς που προσομοιώνει το περπάτημα με μια κούπα ζεστού καφέ στο χέρι από έναν αγουροξυπνημένο άνθρωπο: (α) ένα απλοποιημένο μοντέλο μιας μπάλας που κυλά μέσα σε ένα κυκλικό κύπελλο και (β) ένα μη γραμμικό μηχανικό μοντέλο ενός εκκρεμούς προσαρτημένο σε ταλαντούμενο σύστημα εξαιτίας περιοδικής δύναμης, που περιγράφεται μαθηματικά από ένα σύνολο διαφορικών εξισώσεων (Credit: Brent Wallace, Ying-Cheng Lai, Arizona State University)

Η προσπάθεια να μην χυθεί ο πολύτιμος καφές από την κούπα που κρατάμε στο χέρι μας όταν περπατάμε, είναι κάτι που οι περισσότεροι το κάνουμε επιτυχημένα σχεδόν κάθε μέρα. Καταφέρνουμε την ισορροπία ενστικτωδώς χωρίς κανέναν ιδιαίτερο προβληματισμό ή κάποιον περίπλοκο υπολογισμό. Κι όμως, στην πραγματικότητα υπάρχει αρκετή και μάλλον δύσκολη φυσική πίσω από τις ενστικτώδεις κινήσεις μας που εμποδίζουν τον καφέ να χυθεί!
Ο ζεστός καφές, ένα αναδευόμενο υγρό που περιέχεται σε μια κούπα διαθέτει εσωτερικούς βαθμούς ελευθερίας που αλληλεπιδρούν με την κούπα η οποία, με την σειρά της, αλληλεπιδρά με το χέρι μας.

Σύμφωνα με τον καθηγητή του πανεπιστημίου της Αριζόνα Ying-Cheng Lai, «ενώ οι άνθρωποι είναι προικισμένοι από την φύση τους ώστε να αλληλεπιδρούν επιτυχώς με πολύπλοκα αντικείμενα, η κατανόησή μας γι αυτές τις αλληλεπιδράσεις – ειδικά σε ποσοτικό επίπεδο, είναι σχεδόν μηδενική. Δεν έχουμε την συνειδητή ικανότητα να αναλύσουμε τις επιδράσεις εξωτερικών παραγόντων, όπως ο θόρυβος ή το κλίμα, στις αλληλεπιδράσεις μας» . Ωστόσο, η κατανόηση αυτών των εξωτερικών παραγόντων είναι ένα θεμελιώδες ζήτημα σε εφαρμοσμένους τομείς όπως η εύκαμπτη ρομποτική (soft robotics).

Η νέα δημοσίευση των ερευνητών Wallace et al στο περιοδικό Physical Review Applied, με τίτλο «Synchronous Transition in Complex Object Control» , περιγράφει μια εικονική πειραματική μελέτη που εξετάζει το πως οι άνθρωποι χειρίζονται ένα πολύπλοκο αντικείμενο. Προσομοιώνοντας τον καφέ της κούπας με μπίλια που κυλάει στο εσωτερικό κυκλικής κούπας (βλέπε εικόνα), οι συμμετέχοντες έστρεφαν κατάλληλα την κούπα με ρυθμικό τρόπο μεταβάλλοντας δύναμη και συχνότητα ώστε να εξασφαλίσουν ότι η μπίλια θα παραμείνει στην κούπα. Η μελέτη έδειξε ότι οι συμμετέχοντες μπορούν να επιλέγουν είτε στρατηγική χαμηλής συχνότητας είτε υψηλής συχνότητας (όσον αφορά την ταλαντωτική κίνηση της κούπας) – για τον χειρισμό ενός σύνθετου αντικειμένου.

Ένα αξιοσημείωτο εύρημα ήταν ότι όταν χρησιμοποιήθηκε μια στρατηγική χαμηλής συχνότητας, οι ταλαντώσεις εμφανίζουν συγχρονισμό σε φάση, αλλά ο συγχρονισμός σε αντίθεση φάσης προκύπτει όταν εφαρμόζεται μια στρατηγική υψηλής συχνότητας. Σύμφωνα με τον Wallace, δεδομένου ότι τόσο οι χαμηλές όσο και οι υψηλές συχνότητες είναι αποτελεσματικές, δεν απέκλειε την περίπτωση ότι μερικοί συμμετέχοντες στο εικονικό πείραμα να άλλαζαν στρατηγικές. Κι αυτό εγείρει ερωτήματα.

«Πώς γίνεται μια μετάβαση από συγχρονισμό σε φάση που σχετίζεται με στρατηγική χαμηλής συχνότητας σε συγχρονισμό αντίθεσης φάσης που σχετίζεται με στρατηγική υψηλής συχνότητας ή το αντίστροφο», αναρωτήθηκε ο Wallace. «Στον χώρο των παραμέτρων, το όριο μεταξύ των καταστάσεων συγχρονισμού σε φάση και αντίθεση φάσης είναι απότομο, ομαλό ή περίπλοκο;»

Οι ερευνητές μελέτησαν την μετάβαση μεταξύ του συγχρονισμού σε φάση και αντίθεσης φάσης χρησιμοποιώντας ένα μη γραμμικό δυναμικό μοντέλο ενός εκκρεμούς προσαρτημένου σε ένα σύστημα που εξαναγκάζεται σε ταλάντωση. Διαπίστωσαν ότι, στην κατάσταση ασθενούς εξαναγκασμένης ταλάντωσης, καθώς η εφαρμοζόμενη εξωτερική συχνότητα μεταβάλλεται, η μετάβαση είναι απότομη και συμβαίνει στη συχνότητα συντονισμού, η οποία μπορεί να κατανοηθεί πλήρως χρησιμοποιώντας την θεωρία ελέγχου γραμμικών συστημάτων. Πέρα από αυτό, εμφανίζεται μια μεταβατική περιοχή μεταξύ του συγχρονισμού σε φάση και αντίθεσης φάσης, όπου οι κινήσεις του εξωτερικού ταλαντωτή και του εκκρεμούς δεν συγχρονίζονται. Διαπιστώθηκε επίσης ότι υπάρχει διστάθεια μέσα και κοντά στη μεταβατική περιοχή από την πλευρά της χαμηλής συχνότητας.

Συμπερασματικά φαίνεται ότι οι άνθρωποι είναι σε θέση να μεταβούν απότομα και αποτελεσματικά από τον έναν σύγχρονο ελκυστή στον άλλον, με έναν μηχανισμό που μπορεί να αξιοποιηθεί για το σχεδιασμό έξυπνων ρομπότ που θα προσαρμόζονται εύκολα στην διαχείριση πολύπλοκων αντικειμένων σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον.

Είναι πιθανό ότι οι άνθρωποι να είναι ικανοί ώστε να χρησιμοποιούν επιδέξια τόσο τις στρατηγικές σε φάση όσο και τις αντίθεσης φάσης και να αλλάζουν ομαλά από τη μία στρατηγική στην άλλη, χωρίς καν να το καταλαβαίνουν. Σύμφωνα με τον Lai, τα ευρήματα αυτής της εργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την εφαρμογή αυτών των ανθρώπινων δεξιοτήτων σε συγκεκριμένα ρομπότ, όχι βέβαια για την μεταφορά μιας κούπας ζεστού καφέ, αλλά σε άλλες εφαρμογές, όπως η αποκατάσταση και η διεπαφή εγκεφάλου-μηχανής. Επιπλέον, λεπτεπίλεπτες εργασίες όπως η τοποθέτηση καλωδίων σε αμάξωμα αυτοκινήτου σε γραμμή συναρμολόγησης – τις οποία οι άνθρωποι εκτελούν με ευκολία – εξακολουθούν να δυσκολεύουν ακόμα και τις πιο προηγμένες μηχανές.

Σύμφωνα με τον Wallace, μια συστηματική και ποσοτική κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι άνθρωποι αλληλεπιδρούν δυναμικά με το περιβάλλον τους θα αλλάξει για πάντα τον τρόπο που σχεδιάζουμε τον κόσμο μας και μπορεί να φέρει επανάσταση στο σχεδιασμό της έξυπνης προσθετικής και να οδηγήσει σε μια νέα εποχή βιομηχανοποίησης και αυτοματισμού. Μιμούμενοι τις ενστικτώδεις δυναμικές συμπεριφορές που υιοθετούν οι άνθρωποι κατά τον χειρισμό πολύπλοκων αντικειμένων, θα μπορέσουμε να αυτοματοποιήσουμε διαδικασίες που μέχρι πρότινος θεωρούνταν αδύνατες.

Διαβάστε επίσης: Γιατί χύνεται ο καφές όταν περπατάμε: η ερμηνεία της φυσικής

πηγή: https://phys.org/news/2021-09-coffee-little-understood-feat-physics.html



Κατηγορίες:ΜΗΧΑΝΙΚΗ, ΡΟΜΠΟΤ, ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ, ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

Ετικέτες:

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Google

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: