无厘头研究
呼啦圈的物理奥秘：为何有些人天生能玩得更好
呼啦圈并非依靠臀部扭动，而是体型决定了是否能保持旋转状态。研究发现，拥有斜坡状表面的人更容易玩好呼啦圈。
我们都知道呼啦圈是通过腰部的旋转来保持平衡的，但真相并非如此。研究人员发现，拥有斜坡状表面的身体类型比其他类型更容易保持呼啦圈的旋转状态。
呼啦圈已经存在了数千年，但1950年代 Wham-O 公司推出的塑料版呼啦圈迅速成为流行趋势。现在，科学家们对这个玩具背后的物理原理进行了深入研究，发现某些体型更擅长保持旋转的呼啦圈悬浮在空中，而这种发现发表在了美国国家科学院院刊上。
“我们很惊讶的是，像呼啦圈这样的普及、有趣且有益健康的活动，即使是在基本的物理层面上都没有被理解，”纽约大学的合著者Leif Ristroph说。“当我们在研究过程中取得进展时，我们意识到涉及到的数学和物理非常微妙，这些知识可能会有助于激发工程创新，利用振动收集能量以及改善工业加工和制造中使用的机器人定位器和运动装置。”
Ristroph 的实验室经常解决这类现实世界中的有趣难题。例如，在2018年，Ristroph 和他的同事们根据肥皂薄膜的实验，制定了制作完美泡泡的配方。在 2021 年，Ristroph 的实验室研究了中国和马达加斯加某些地区常见的所谓“石头森林”的形成过程。
在 2021年，他的实验室根据发明的设计建造了一个可工作的特斯拉阀门，并测量了水在不同压力下的双向流量。他们发现水在非优先方向上的流速大约是前者的两倍。在2022 年，Ristroph 研究了制作良好纸飞机的复杂气动力学原理——特别是实现平稳滑翔所需的条件。
去年，Ristroph 的实验室破解了物理学家理查德·费曼的“反喷水器”问题，得出的结论是，反喷水器旋转速度比普通喷水器慢约50 倍，但其工作原理相似。秘密隐藏在喷水器内部，那里有喷嘴使其像一个向内喷射的火箭一样运作。内部喷嘴不会正面碰撞；相反，当水流过喷水器臂弯道时，它会被离心力甩向外，导致流动不对称。
引入微型机器人
此前关于呼啦圈物理学的研究很少。在玩具于20世纪50年代成为现代流行趋势时进行了首次研究，1987年进行了一次研究，自 2008 年以来，随着呼啦圈作为一种运动或表演艺术的形式再次兴起，还有一些零星的研究论文发表。大多数研究将其建模为一个涉及自由铰链的扩展质量或绕着一个运动圆环滚动的问题。这并没有考虑诸如重力等三维因素，即呼啦圈如何能够在旋转状态下悬浮很长时间。
Ristoph 等人认为几何形状可能会对呼啦圈的动力学产生重大影响，并决定进一步调查此事。 “我们特别想了解什么类型的身体运动和形状可以成功地保持呼啦圈悬浮，以及涉及哪些物理需求和限制，”Ristroph 说。
团队使用带有不同3D打印几何形状(例如圆锥形、圆柱形或沙漏形)的微型机器人进行了一系列实验。内置电机使这些形状像人的臀部一样旋转。然后，Ristroph 等人把6英寸的迷你呼啦圈扔到这些形状上，并在高速视频中拍摄了其运动结果。
不同形状回转机器人上呼啦圈的垂直运动。
事实证明，产生的旋转运动并不像我们想象的那样重要; 就像 Ristroph 等人怀疑的那样，关键在于几何形状。例如，所有使用圆柱形的所有试验都失败了，无法保持呼啦圈悬浮。利用圆周旋转的锥形在性能上有所改善，但呼啦圈的上降取决于其最初释放的高度。“如果从身体低点释放呼啦圈，它会下沉；如果释放到足够高的位置，它就会上升，但它永远不会保持水平，”作者写道。
最适合长时间悬挂呼啦圈的形状是沙漏形，即使使用不同的释放高度也是如此。 “人们的身材各不相同，有些人有臀部和腰部的斜坡和曲线特征，而另一些人则没有，”Ristroph 说。“我们的结果可能解释了为什么有些人天生就是呼啦圈爱好者，而另一些人似乎不得不费力很多。”
最终，作者确定了两种不同的平衡形式，可以实现稳定状态的呼啦圈运动：一种同步过程使呼啦圈旋转频率与旋转运动相同，将其中心指向外侧，以及呼啦圈的垂直定位。前者要求呼啦圈以与旋转运动相同的方向投掷足够快，而后者则在很大程度上取决于身体形状——沙漏形是最佳选择。总的来说，研究结果表明，“如何通过物体滚动接触表面的几何形状和运动学来控制物体的运动和定位”。
本文译自 Ars Technica，由 BALI 编辑发布。