لقد صادف العديد من الأشخاص حالة حيث تفقد عربة أو حقيبة بعجلتين حالة التوازن بسرعة عالية - وتبدأ في التأرجح من جانب إلى آخر. يمكن أن يكون الدافع للحركة الجانبية غير المرغوب فيها عقبة مفاجئة على الأرض أو تغير مفاجئ في الاتجاه. بعد ذلك ، تبدأ الحقيبة في التأرجح مباشرة أثناء التنقل ، ويزداد اتساع التذبذبات حتى تسقط الحقيبة على جانبها.
أدت هذه الظاهرة إلى عدد من الدراسات النظرية في الماضي ، لكن الباحثين أدركوا تقلب الحقيبة إما بندول غير خطي بسيط غير مشتت (
Graner et al. ، مشاكل الفيزياء ، 2011 ) ، أو بندول قسري (
Plo، Acta Mechanica، 1996 ).
وفقًا لمؤلفي هذه الأعمال ، فإن المشاية تخلق لحظة دورية على مقبض الحقيبة ، وبالنسبة لمجموعة الترددات الطبيعية ، تنقلب الحقيبة. في هذه الدراسات ، كانت الحقيبة تتمتع بدرجة فريدة من الحرية ، مما منع عدم الاستقرار المتأصل كخاصية أولية. في الواقع ، يتم إنشاء الديناميكيات الغنية للحقيبة حقًا من خلال مزيج من الحركات الترجمية والتناوب. قد يعاني الجسم الصلب من مثل هذا الاتصال بين الحركات غير المتجانسة بسبب القوى التي تعمل عليه عند نقاط الاتصال مع الهيئات الأخرى. تحد هذه القوى من موضع الحقيبة (تقييد هولندي) ، أو تفرض اتصالًا بين الموقع والسرعة (تقييد غير اقتصادي). على الرغم من أن القيود الاقتصادية صارمة بمعنى أنها تلغي درجات الحرية ، فإن القيود غير الاقتصادية ، على العكس من ذلك ، تمنح الحقيبة المزيد من الحرية. غالبًا ما يؤدي اتساع الحركات التي توفرها القيود غير الاقتصادية إلى حركات طفيلية. الأمثلة المشهورة هي
التسكين التجديدي لأدوات الآلات أو اهتزاز عجلات السيارة. ويقول العلماء إن تأرجح الحقيبة هو مثال آخر على نفس الظاهرة.
قامت مجموعة من الفيزيائيين من مختبر الأنظمة والمواد المعقدة في جامعة باريس (السوربون) بدراسة هذه المشكلة
نظريًا وتجريبيًا ، مع المطالبة بوضوح بجائزة Shnobel 2017. للتجارب ، تم تصميم تثبيت خاص على عجلتين بأوزان.
قدم العلماء دليلاً تجريبيًا ونظريًا على أن التأرجح في الحقيبة ناتج عن عدم الاستقرار. يتم إنشاء عدم الاستقرار هذا من خلال ربط الحركات بإمالة وتحويل الحقيبة تحت تأثير حركتها إلى الأمام. على وجه الخصوص ، يؤدي رفع العجلة عن الأرض ورفعها إلى تحريك الحقيبة المتدحرجة إلى الجانب. في هذه الحالة ، تدور العجلات بدون انزلاق ، ومحور ميل الحقيبة من المقبض إلى العجلة الدوارة ليس عموديًا على محور دوران العجلة. يؤثر هذا الاضطراب على سعة تأرجح الحقيبة ، والتي تتلاشى أو تزداد مع مرور الوقت. في مثل هذه الحالة غير المستقرة ، تنقلب الحقيبة في النهاية أو تصل إلى دورة الحد من التذبذبات المستقرة ، يكتب مؤلفو العمل العلمي.
ومن المثير للاهتمام أن عدم الاستقرار ينشأ فقط لمجموعة معينة من المعلمات الهندسية وخارج سرعة القيادة الحرجة فقط. أجرى الباحثون سلسلة من التجارب على نموذج صغير لحقيبة سفر ، بعد أن درسوا تأثير هندستها وسرعتها على القوة المتأرجحة - وقاموا بتجميع مخططات التشعب المقابلة. ووجدوا ، على وجه الخصوص ، أنه من الأسهل عدم توازن حقيبة سفر بسرعة دوران أقل من حقيبة أعلى. هذا يتناقض جزئيًا مع استنتاجات المنظرين السابقين ، الذين أشاروا إلى سرعة الدوران العالية للحقيبة كشرط ضروري لعدم الاستقرار.
وبالتالي ، كلما زادت سرعة التدحرج ، قل احتمال أن تفقد الحقيبة الثبات وتتدحرج. يشرح الفيزيائيون أن هذا يحدث لأن طاقة الحركة الانتقالية على طول مسار مستقيم تجعل الحقيبة تنحرف أكثر إلى الجانب ، بدلاً من الانحناء ، مما يقلل من فرصة الانقلاب.
يقدم العلماء نصائح عملية للمسافرين الذين يواجهون تأرجح حقيبة يد. في هذه الحالة ، لا تحتاج إلى الإبطاء ، بل بالأحرى - اتخذ خطوة وتسريع قدر الإمكان. كتب مؤلفو العمل العلمي: "نحن بحاجة إلى التسريع بدلًا من الإبطاء من أجل تخفيف سعة التذبذبات" ، لكنهم يضيفون على الفور بملاحظة اليأس: "لن يتفاعل جرار الحقائب عديم الخبرة بهذه الطريقة".
طريقة بديلة لنقل الطاقة من التأرجح إلى الحركات الجانبية هي تقليل زاوية الميل إلى الأفقي ، أي خفض المقبض القابل للسحب.
نُشر المقال في 21 يونيو 2017 في مجلة
Proceedings of the Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2017.0076).