Μια ομάδα φυσικών από το Πανεπιστήμιο του Waterloo, κατάφερε να κάνει μια σφαίρα να κυλήσει κάθετα σε τοίχο, χωρίς να ασκήσει κάποια εξωτερική δύναμη, κάτι που μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν αδύνατο.
«Σε τέλεια κάθετες επιφάνειες, η κύλιση θεωρείται συμβατικά αδύνατη χωρίς εξωτερική ροπή. Ενώ διάφορα είδη όπως τα γκέκο και οι αράχνες επιδεικνύουν κάθετη κίνηση, δεν μπορούν να επιτύχουν κύλιση. Αντίθετα, πέφτουν», εξηγεί η ομάδα στη νέα της εργασία.
«Επανεξέταση εισαγωγικών εγχειριδίων φυσικής: όταν μια άκαμπτη γυάλινη σφαίρα, για παράδειγμα, μάζας m τοποθετείται απαλά σε ένα κεκλιμένο επίπεδο από ένα παρόμοιο άκαμπτο υλικό, η σφαίρα θα κυλήσει ελεύθερα προς τα κάτω λόγω της βαρύτητας για οποιαδήποτε γωνία κλίσης 0◦ < θS < 90◦. Αλλά τι συμβαίνει όταν θS = 90◦, δηλαδή, μια τέλεια κάθετη επιφάνεια; Η διαισθητική απάντηση είναι ότι η σφαίρα θα υποστεί ελεύθερη πτώση χωρίς καμία επαφή με την επιφάνεια, εκτός εάν έχει αρχική κύλιση. Αυτό συμβαίνει επειδή, σε μια τέλεια λεία κάθετη επιφάνεια, η κάθετη δύναμη στη διεπαφή (ή σημείο επαφής), δηλαδή, mg cos 90◦ είναι μηδέν, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει στατική δύναμη τριβής για να δημιουργηθεί η ροπή που απαιτείται για την κύλιση».
Σε μια κλήση επιφάνειας μικρότερη από 90 μοίρες, η επιφάνεια θα παρέχει τριβή που θα θέσει την μπάλα σε κύλιση, με την βοήθεια της βαρύτητας φυσικά. Σε μια κάθετη επιφάνεια όμως, η κάθετη δύναμη στο σημείο επαφής μπάλας-επιφάνειας, είναι μηδέν, αφού δεν υπάρχει δύναμη με φορά προς την επιφάνεια, ώστε να προκαλέσει την τριβή που οδηγεί στην κύλιση.
Για άκαμπτες επιφάνειες και σφαίρες, δε θα έπρεπε να έχουμε κύλιση, ενώ σε κολλώδεις σφαίρες και επιφάνειες, έχουμε τη σφαίρα να κολλάει ή να γλιστράει, αντί να κυλάει.
Μετά από μήνες θεωρητικών υπολογισμών και αρκετές δοκιμές και λάθη, η ομάδα κατάφερε να πετύχει αυτό το «αδύνατο» κατόρθωμα, βρίσκοντας την τέλεια ισορροπία μεταξύ ελαστικότητας και απαλότητας της σφαίρας και της επιφάνειας.
«Όταν το είδαμε για πρώτη φορά να συμβαίνει, ειλικρινά μείναμε έκπληκτοι», δήλωσε σε ανακοίνωσή της η Dr. Sushanta Mitra, καθηγήτρια μηχανολογίας και μηχατρονικής μηχανικής και εκτελεστική διευθύντρια του Ινστιτούτου Νανοτεχνολογίας του Waterloo. «Ελέγξαμε τα πάντα διπλά, επειδή φαινόταν να αψηφά την κοινή λογική. Υπήρχε ενθουσιασμός στο εργαστήριο όταν επιβεβαιώσαμε ότι δεν ήταν τυχαίο και ότι επρόκειτο για πραγματική κάθετη κύλιση».
Πρακτικά, όταν η μπάλα ήταν πολύ άκαμπτη απλώς έπεφτε κάτω, ενώ όταν ήταν πολύ κολλώδης, κολλούσε στα τοιχώματα της επιφάνειας. Όταν όμως η σφαίρα ήταν περίπου τόσο ελαστική όσο ένα Gummy Bear και η επιφάνεια ήταν τόσο σπογγώδης όσοι ένα mousepad, η μπάλα σε μέγεθος μπιζελιού ξεκίνησε να κυλάει κάθετα με ρυθμό περίπου 1 χιλιοστό κάθε δύο δευτερόλεπτα!
«Το κλειδί είναι ότι καθώς κυλάει, η σφαίρα αλλάζει ελαφρώς σχήμα στο σημείο επαφής», πρόσθεσε ο Mitra. «Η μπροστινή άκρη λειτουργεί ως φερμουάρ κλεισίματος, ενώ η πίσω άκρη λειτουργεί σαν να την ανοίγει. Αυτή η ασυμμετρία δημιουργεί ακριβώς αρκετή ροπή, ή πρόσφυση, για να διατηρηθεί η κύλιση χωρίς να κολλήσει ή να πέσει εντελώς», είπε η ομάδα.
Αυτή είναι η ημερομηνία της μεγάλης διασταύρωσης στοιχείων οχημάτων!
Σύμφωνα με την ομάδα, τα ευρήματα της μελέτης «αμφισβητούν την παραδοσιακή κατανόηση των αλληλεπιδράσεων κάθετης επιφάνειας και ανοίγουν νέους δρόμους για την εξερεύνηση συστημάτων μαλακής επαφής». Όμως, εκτός από όλα αυτά, το αποτέλεσμα είναι ιδιαίτερα εντυπωσιακό!
Υπάρχουν πολλές υλοποιήσεις που θα μπορούσαν να εκμεταλλευτούν αυτή την πληροφορία, όπως ρομπότ μαλακής ύλης, που θα μπορούσαν να εξερευνήσουν σπήλαια στη Γη ή ακόμα και στον Άρη.
«Αυτό ανοίγει έναν εντελώς νέο τρόπο σκέψης για την κίνηση σε κάθετες επιφάνειες», πρόσθεσε η Mitra. «Προς το παρόν, τα ρομπότ και τα οχήματα περιορίζονται σε οριζόντιες ή ελαφρώς κεκλιμένες επιφάνειες. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να το αλλάξει αυτό».
Η μελέτη δημοσιεύεται στο Soft Matter.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
