Fizica surprinzătoare a cercului: cum explică senzorii seismici mișcarea lui hula hoop
Deși pare un simplu joc de copil, menținerea unui hula hoop în aer timp de câteva secunde ascunde o fizică atât de complexă încât oamenii de știință au încercat zeci de ani să o descifreze. Un nou studiu arată însă că înțelegerea convențională din ultimele două decenii era incompletă, iar explicația stă într-o rețea de mișcări coordonate ale membrelor inferioare.
Cum au fost folosiți senzorii seismici
O echipă de ingineri afiliați Universității din California, Berkeley, a abordat problema cu o metodă neconvențională. Cercetătorii au montat pe cerc, pe piciorul drept și pe laba piciorului unor senzori de înaltă tehnologie folosiți în mod normal pentru a urmări reacția clădirilor la simulări de cutremur. Dispozitivele au înregistrat 120 de imagini pe secundă, captând viteza de rotație, accelerația, forța gravitațională și câmpurile magnetice.
Datele au fost colectate în timp ce un membru al echipei, fostă gimnastă, învârtea cercul. Șoldurile nu au putut fi monitorizate, deoarece senzorul ar fi intrat în contact cu cercul.
De ce analiza clasică a dat rezultate contradictorii
Studiile anterioare folosiseră analiza componentelor principale, o metodă matematică liniară care reduce volume mari de date la cele mai clare tipare. Concluzia lor era că două seturi distincte de mișcări controlează separat orbita cercului în jurul corpului și balansul său vertical.
Când echipa de la Berkeley a încercat să reproducă aceste rezultate cu datele proprii, cifrele nu s-au potrivit. „Am fost foarte surprinși”, a declarat coordonatorul studiului, Oliver O’Reilly, profesor de inginerie mecanică. Rezultatele dominante indicau că mișcarea corpului nu influențează deloc cercul și invers – ceea ce, logic, nu putea fi adevărat.
Matematica neliniară schimbă concluziile
După verificări repetate, cercetătorii au apelat la o metodă neliniară numită analiză de rețea funcțională, dezvoltată recent de un cercetător de la Universitatea Tehnică din Hamburg. De această dată, rezultatele au căpătat sens.
Orbita cercului în jurul taliei este rezultatul unei acțiuni comune a femurului, tibiei și oaselor metatarsiene din mijlocul labei piciorului. Femurul și tibia se răsucesc precum robinetele, tibia se mișcă în sus și în jos când picioarele se îndoaie și se îndreaptă, iar oasele metatarsiene se deplasează pe măsură ce greutatea se transferă de pe marginea interioară pe cea exterioară a labei piciorului.
Cercetătorii au fost surprinși de rolul esențial al gleznei și al labei piciorului. În timpul mișcării, cercul nu rămâne perfect paralel cu podeaua, ci se înclină în sus și în jos, iar femurul influențează acest balans prin rotația sa în articulație. Deoarece femurul nu poate fi rotit astfel fără a răsuci și tibia, mișcările care produc rotația cercului nu pot fi separate de cele care produc balansul vertical.
Aplicații dincolo de joc
Deși studiul pornește de la o jucărie devenită celebră în anii 1950, implicațiile sale nu sunt deloc minore. Rezultatele ar putea duce la modele mai bune ale modului în care oamenii fac pași cu ajutorul unui cadru de mers, ceea ce i-ar ajuta pe fizioterapeuți să se concentreze asupra mișcărilor esențiale în recuperare. Analiza mișcării ar putea fi utilă și în proiectarea protezelor sau în robotică.
O’Reilly a recunoscut că i-a părut puțin rău că proiectul s-a încheiat. Aducerea unui hula hoop la birou și aprofundarea matematicii complexe care îl face să se învârtă a fost o experiență autentic distractivă, iar colegii i-au remarcat entuziasmul din timpul întâlnirilor echipei. „A fost o colaborare minunată, care a pornit de la curiozitate și a devenit mult mai interesantă decât ne-am imaginat”, a spus el.
