Фигура, которая не должна была появиться: что такое Гёмбёц

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

С детства мы привыкли к правильным геометрическим формам в быту (куб, шар, пирамида), но в мире математики и геометрии существует множество удивительных фигур, и немногие из них могут похвастаться такой уникальной историей создания и свойствами, как гёмбёц. Эта геометрическая фигура сложной формы, напоминающая сплюснутый эллипсоид, обладает совершенно необычными свойствами равновесия. Гёмбёц стал настоящим символом того, как абстрактная математическая идея может привести к созданию чего-то удивительного и осязаемого. Давайте узнаем о ней больше.

Автор: Kicsinyul Источник: commons.wikimedia.org

Неваляшка — это, казалось бы, простая игрушка, но за ее безобидным внешним видом скрывается физическая загадка. Ее уникальность заключается в наличии двух принципиально различных положений равновесия: устойчивого и неустойчивого. Поставьте неваляшку на основание — она, словно волшебная, всегда возвращается в вертикальное положение, независимо от того, насколько сильно вы ее отклоните. Попробуйте же установить ее на вершину — и она, хоть и сохранит равновесие на краткий миг, при малейшем воздействии тотчас же вернется в устойчивое положение, «встанет на ноги». Этот удивительный эффект достигается за счет ее конструкции: шарообразной формы как верхней, так и нижней частей и, что самое важное, смещенного центра тяжести. В нижней части неваляшки находится тяжелый груз, который эффективно противодействует любому отклонению от вертикального положения, неустанно стремясь вернуть игрушку в исходную позицию.

А возможно ли создать неваляшку без этого балласта, а из однородного материала? Для решения этой задачи, казалось бы, простой, потребовались годы исследований и сложные математические выкладки.

Неваляшка
Неваляшка
Автор: Музей советского детства Источник: commons.wikimedia.org

Прорыв в понимании поведения однородных тел, способных демонстрировать свойства, подобные неваляшке, произошел в 1995 году на Международном конгрессе индустриальной и прикладной математики в Гамбурге. Там встретились два выдающихся математика — Владимир Арнольд из России и Габор Домокош из Венгрии. Домокош, в сотрудничестве с коллегами, занимался изучением положений равновесия тел (перебрали даже 2000 камней с пляжей). Оказалось, что даже у таких простых фигур, как квадрат или эллипс, количество положений равновесия может быть довольно значительным и зависит от формы и распределения массы. Например, у квадрата четыре устойчивых положения равновесия (когда он лежит на одной из сторон) и четыре неустойчивых (когда он стоит на вершине). Эти исследования показали, что достичь эффекта «неваляшки» с однородным телом значительно сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Это не может быть простое выпуклое тело, оно должно иметь определенную кривизну поверхности, обеспечивающую смещение центра тяжести при отклонении от вертикального положения. Этот смещенный центр тяжести, хотя и не связан с наличием груза, будет действовать аналогично, генерируя восстанавливающий момент, возвращающий тело в устойчивое вертикальное положение.

GÖMBÖC
GÖMBÖC
Автор: Domokos Источник: ru.wikipedia.org

Учёные потратили годы, исследуя многочисленные варианты форм, прежде чем им удалось найти это уникальное геометрическое тело. И их математическая модель превратилась в трехмерное тело с равномерно распределенной массой, которое обладает только двумя точками равновесия (одна устойчивая). Высокотехнологичная неваляшка! Воплотить гёмбёц в осязаемую деталь получилось в 2006 году. Как оказалось это не так просто, малейшее изменение кривизны (допуск размеров при изготовлении 0.01 мм) поверхности и даже пыль на плоскости могут привести к потере этого уникального свойства равновесия.

Звёздчатая черепаха
Звёздчатая черепаха
Автор: Jacob. jose Источник: ru.wikipedia.org

Гёмбёц оказался не просто абстрактной математической конструкцией. Ученые обнаружили похожую идею в живой природе — панцирь некоторых видов черепах. Миллионы лет эволюции привели к созданию формы, частично математически эквивалентной Гёмбёцу, что позволяет черепахе всегда возвращаться в стабильное положение, даже если она случайно перевернётся вверх ногами. Это свидетельство удивительной эффективности естественного отбора и его способности решать сложные задачи оптимизации.

Короткое видео о фигуре от НаукаPRO:

Спасибо за внимание.

Источник: Официальный сайт проекта

Изображение в превью:
Автор: Sir Morosus
Источник: commons.wikimedia.org
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Для связи bdos@rambler.ru

1 комментарий

K
Практическая польза не раскрыта, где это применимо?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

«Четыре сердца» гиганта: как на самом деле двигался 100-тонный амфибийный внедорожник LARC-LX

Этого монстра строили не для рекордов, а для разгрузки военных кораблей с воды на на необорудованный берег. Представьте себе машину размером с небольшой дом: длиной более 19 метров, шириной 8...

Как и почему именно шашечки стали опознавательным знаком на автомобилях такси

На каких на автомобилях такси впервые появился опознавательный знак в виде черно-белых шашечек и почему именно шашечки стали неофициальным стандартом для такси в подавляющем большинстве стран мира.

Почему копейку больше не чеканят: как самая маленькая российская монета потеряла свою ценность?

Когда-то копейка была привычной частью повседневной жизни. Ею расплачивались в магазинах, считали сдачу, покупали недорогие товары и даже измеряли стоимость самых простых вещей. Сегодня встретить в...

Квантовый микроскоп впервые показал отдельные атомы в сложнейшей квантовой системе

Свойства любого твердого материала — его электропроводность, теплоемкость, магнитные характеристики — зависят от того, как ведут себя электроны внутри кристаллической решетки....

Вся экоповестка под откос: Европа миллионы лет была саванной, а не сплошным лесом

На протяжении двух столетий в европейской экологии, лесоводстве и охране природы господствовала теория сомкнутого леса. Согласно ей, до появления земледелия и вырубок вся умеренная зона Европы была...

Марс еще жив? Странные выбросы газа разбудили спор о действующих вулканах

Чтобы выяснить, сохранилась ли внутри планеты геологическая активность, исследователи обычно используют два инструмента: инфракрасные камеры и газовые спектрометры. Камеры ищут на поверхности...