Muchas personas se han encontrado con una situación en la que un carro o una bolsa con dos ruedas pierde su estado de equilibrio a alta velocidad y comienza a balancearse de lado a lado. Un disparador para un movimiento lateral no deseado puede ser un obstáculo repentino en el suelo o un cambio repentino de dirección. Después de eso, la maleta comienza a balancearse sobre la marcha, y la amplitud de las oscilaciones aumenta hasta que la maleta cae de lado.
Este fenómeno ha llevado a una serie de estudios teóricos en el pasado, pero los investigadores reconocieron la fluctuación de la maleta como un péndulo no lineal no disipativo simple (
Graner et al., Problems of Physics, 2011 ) o un péndulo no lineal forzado (
Plo, Acta Mechanica, 1996 ).
Según los autores de estos trabajos, el andador crea un momento periódico en el asa de la maleta y, para el rango de frecuencias naturales, la maleta se vuelca. En estos estudios, la maleta tenía un grado único de libertad, lo que evitaba la inestabilidad inherente como propiedad inicial. De hecho, la rica dinámica de una maleta es realmente creada por una combinación de movimientos de traslación y rotación. Un cuerpo sólido puede experimentar tal conexión de movimientos heterogéneos debido a las fuerzas que actúan sobre él en los puntos de contacto con otros cuerpos. Estas fuerzas limitan la posición de la maleta (restricción holonómica) o imponen una conexión entre la posición y la velocidad (restricción no autónoma). Aunque las restricciones holonómicas son estrictas en el sentido de que eliminan los grados de libertad, las restricciones no holonómicas, por el contrario, dan a la maleta más libertad. La amplitud de movimientos que proporcionan las restricciones no holonómicas a menudo conduce a movimientos parasitarios. Ejemplos bien conocidos son el
aflojamiento regenerativo de máquinas herramienta o la vibración de las ruedas del automóvil. Hacer girar una maleta es otro ejemplo del mismo fenómeno, dicen los científicos.
Un grupo de físicos del laboratorio de sistemas y materiales complejos de la Universidad de París (Sorbona) estudió a fondo este problema
teórica y experimentalmente , solicitando claramente el Premio Shnobel 2017. Para los experimentos, se diseñó una instalación especial sobre dos ruedas con pesas.
Los científicos han proporcionado evidencia experimental y teórica de que el balanceo de una maleta es causado por la inestabilidad. Esta inestabilidad es generada por la conexión de movimientos a la inclinación y al cambio de la maleta bajo la influencia de su movimiento hacia adelante. En particular, levantar la rueda del suelo y levantarla hace que la maleta rodante se mueva hacia un lado. En este caso, las ruedas ruedan sin deslizarse, y el eje de inclinación de la maleta desde el mango hasta la rueda rodante no es perpendicular al eje de rotación de la rueda. Esta perturbación afecta la amplitud del giro de la maleta, que se desvanece o aumenta con el tiempo. En un estado tan inestable, la maleta finalmente se da vuelta o alcanza el ciclo límite de oscilaciones estables, escriben los autores del trabajo científico.
Curiosamente, la inestabilidad surge solo para un cierto rango de parámetros geométricos y solo fuera de la velocidad crítica de conducción. Los investigadores realizaron una serie de experimentos en un modelo pequeño de una maleta, después de estudiar la influencia de su geometría y velocidad en la fuerza de giro, y compilaron los diagramas de bifurcación correspondientes. Descubrieron, en particular, que es más fácil desequilibrar una maleta a una velocidad de rodadura más baja que a una más alta. Esto contradice parcialmente las conclusiones de teóricos anteriores, quienes señalaron la alta velocidad de rodadura de la maleta como una condición necesaria para la inestabilidad.
Por lo tanto, cuanto mayor sea la velocidad de rodadura, menos probable es que la maleta pierda estabilidad y se vuelque. Los físicos explican que esto sucede porque la energía del movimiento de traslación a lo largo de un camino recto hace que la maleta gire más hacia un lado, en lugar de inclinarse, lo que reduce la posibilidad de volcar.
Los científicos dan consejos prácticos a los viajeros que se enfrentan con el péndulo balanceándose de una maleta. En esta situación, no necesita reducir la velocidad, sino dar un paso y acelerar tanto como sea posible. "Necesitamos acelerar en lugar de reducir la velocidad para suavizar la amplitud de las oscilaciones", escriben los autores del trabajo científico, pero inmediatamente agregan con una nota de desesperanza: "Un tractor de maleta sin experiencia no reaccionará de esta manera".
Una forma alternativa de transferir energía del balanceo a los movimientos laterales es reducir el ángulo de inclinación hacia la horizontal, es decir, bajar el asa retráctil.
El artículo fue
publicado el 21 de junio de 2017 en la revista
Proceedings of the Royal Society (doi: 10.1098 / rspa.2017.0076).