Эйлер дискісі – физикалық білім беру ойыншығы. Айналу және домалау динамикасын көрсетеді, ғылыми зерттеулерге арналған. Энергия алмасуын визуализациялайды.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
1987-1990 жылдары Жозеф Бендик ойлап тапқан Эйлер дискісі – сауда белгісімен тіркелген ғылыми-оқулық ойыншық. Ол айналып және домалап қозғалатын дискінің жазық немесе қисық беттегі динамикалық жүйесін көрсету және зерттеу үшін қолданылады. Осы тақырыпта бірнеше ғылыми мақала жарық көрген.
Scientific educational toy
Euler's Disk, invented between 1987 and 1990 by Joseph Bendik, is a trademarked scientific educational toy. It is used to illustrate and study the dynamic system of a spinning and rolling disk on a flat or curved surface. It has been the subject of several scientific papers.
Ашылу
Джозеф Бендик алғаш рет айналатын дискінің қызықты қозғалысын Хьюз Ұшақтар компаниясында (Карлсбад зерттеу орталығы) жұмыс істеген кезде, бір күні түскі үзілісте үстелінде ауыр жылтырату дискісін айналдырғанда байқады. Бұл құрылғы үш түрлі, тығыз байланысты процестегі энергия алмасуын көрнекті түрде бейнелейді. Диск өзінің азимутальды айналысын біртіндеп төмендеткенде, оның амплитудасы да кемиді, ал диск осьтік прецессиясының жиілігі артады. Диск осьтік прецессиясының өзгеруін баяу жылдамдықтағы бейнеде диск бетінен белгіленген бір нүктеге қарап оңай көруге болады. Диск айналысының өзгеруін оның радиусын көрсететін дискіге салынған жебеге қарап, баяу қозғалыста оңай байқауға болады. Диск пайдаланушы берген бастапқы энергияны босатып, тоқтауға жақындағанда, тік ось маңындағы айналысы баяуласа, жанасу нүктесінің тербелісі күшейеді. Жоғарыдан жарық түсірілгенде, жанасу нүктесі мен жақын жердегі төменгі жиегі көлеңкеде қалып, диск тоқтағанша ауада қалғандай көрінеді. Бендик бұл ойыншықты математик Леонард Эйлердің құрметіне атады. Саудадағы ойыншық ауыр, қалың хромдалған болат дискі мен қатты, сәл иісті, айна тәрізді негізден тұрады. Дискінің дірілдеуін күшейту үшін голографиялық магнитті жапсырмаларды қосуға болады. Дегенмен, мұндай жапсырмалар процестерді көру мен түсінуді қиындатуы мүмкін. Тегіс бетке айналдырылғанда, диск айналу/домалану қозғалысын көрсетеді, тоқтағанға дейін әртүрлі жылдамдықтар мен қозғалыс түрлерінен өтеді. Ең маңыздысы, диск төмен қарай айналғанда оның симметрия осінің прецессиясы артады. Айна негізі төмен үйкелісті бетті қамтамасыз етеді, ал оның сәл иістілігі диск беттен сырғып кетпеуіне көмектеседі. Кез келген диск, орташа тегіс бетке айналдырылса (мысалы, үстелге айналдырылған тиын), Эйлер дискісі сияқты қозғалыс түрін көрсетеді, бірақ одан әлдеқайда қысқа уақытқа. Коммерциялық дискілер құбылысты тиімдірек көрсетеді, олардың оңтайлы пропорциясы және айналу/домалану уақытын барынша арттыру үшін дәл жылтыратылған, сәл дөңгелектелген жиегі бар.
Joseph Bendik first noted the interesting motion of the spinning disk while working at Hughes Aircraft (Carlsbad Research Center) after spinning a heavy polishing chuck on his desk at lunch one day. The apparatus is a dramatic visualization of energy exchanges in three different, tightly coupled processes. As the disk gradually decreases its azimuthal rotation, there is also a decrease in amplitude and increase in the frequency of the disk's axial precession. The evolution of the disk's axial precession is easily visualized in a slow motion video by looking at the side of the disk following a single point marked on the disk. The evolution of the rotation of the disk is easily visualized in slow motion by looking at the top of the disk following an arrow drawn on the disk representing its radius. As the disk releases the initial energy given by the user and approaches a halt, its rotation about the vertical axis slows, while its contact point oscillation increases. Lit from above, its contact point and nearby lower edge in shadow, the disk appears to levitate before halting. Bendik named the toy after mathematician Leonhard Euler. The commercial toy consists of a heavy, thick chrome plated steel disk and a rigid, slightly concave, mirrored base. Included holographic magnetic stickers can be attached to the disk, to enhance the visual effect of wobbling. These attachments may make it harder to see and understand the processes at work, however. When spun on a flat surface, the disk exhibits a spinning/rolling motion, slowly progressing through varying rates and types of motion before coming to rest. Most notably, the precession rate of the disk's axis of symmetry increases as the disk spins down. The mirror base provides a low friction surface; its slight concavity keeps the disk from "wandering" off the surface. Any disk, spun on a reasonably flat surface (such as a coin spun on a table), will exhibit essentially the same type of motion as an Euler Disk, but for a much shorter time. Commercial disks provide a more effective demonstration of the phenomenon, having an optimized aspect ratio and a precision polished, slightly rounded edge to maximize the spinning/rolling time.
Физика
Айналатын/домалайтын дискі соңында күрт тоқтайды, қозғалыстың соңғы сатысы жиілігі тез өсетін сызылған дыбыспен бірге жүреді. Дискі домалағанда, домалап жатқан түйіскен нүкте тұрақты бұрыштық жылдамдықпен тербелетін шеңберді сипаттайды. Егер қозғалыс диссипативті (үқалаусыз) болмаса, тұрақты болады және қозғалыс мәңгіге жалғасады; бұл байқауға қайшы, өйткені нақты жағдайларда тұрақты емес. Шындығында, симметрия осінің прецессиясы шамамен -1/3 (нақты жағдайларға байланысты) көрсеткіші бар қуат заңымен сипатталатын шекті уақытқа жақындайды. Екі көзге көрінетін диссипативті әсер бар: дискі бетпен сырғалғандағы домалап сырғанау және ауаның қарсылығынан туындаған ауа кедергісі. Тәжірибелер көрсетіп тұр, домалап сырғанау диссипация мен мінез-құлқына жауапты. Вакуумдағы тәжірибелер ауаның болмауы мінез-құлқына аз ғана әсер ететінін көрсетеді, ал мінез-құлық (прецессия жылдамдығы) жүйелі түрде үйкеліс коэффициентіне байланысты. Кіші бұрыштар шегінде (яғни дискі айналуын тоқтатуға аздап қалғанда) ауа кедергісі (әсіресе, тұтқыр диссипация) басым фактор болып табылады, бірақ осы соңғы сатыға дейін домалап сырғанау басым әсер етеді.
A spinning/rolling disk ultimately comes to rest quite abruptly, the final stage of motion being accompanied by a whirring sound of rapidly increasing frequency. As the disk rolls, the point of rolling contact describes a circle that oscillates with a constant angular velocity If the motion is non dissipative (frictionless), is constant, and the motion persists forever; this is contrary to observation, since is not constant in real life situations. In fact, the precession rate of the axis of symmetry approaches a finite time singularity modeled by a power law with exponent approximately −1/3 (depending on specific conditions). There are two conspicuous dissipative effects: rolling friction when the disk slips along the surface, and air drag from the resistance of air. Experiments show that rolling friction is mainly responsible for the dissipation and behavior—experiments in a vacuum show that the absence of air affects behavior only slightly, while the behavior (precession rate) depends systematically on coefficient of friction. In the limit of small angle (i. e. immediately before the disk stops spinning), air drag (specifically, viscous dissipation) is the dominant factor, but prior to this end stage, rolling friction is the dominant effect.
Эксперименттік нәтижелер
Моффаттың теориялық жұмысы басқа бірнеше зерттеушілерді айналу/дөңгелейтін дискінің энергияны ысырату механизмін тәжірибелік тұрғыдан зерттеуге түрткі берді, нәтижелері оның түсіндірмесімен толық келіспеді. Бұл тәжірибелерде әртүрлі геометриялық пішіндердегі (дискілер мен сақиналар) айналатын денелер мен беттер пайдаланылды, олар ауа және вакуумда әртүрлі үйкеліс коэффициенттерімен қолданылды. Құбылысты мөлшерлеу үшін жоғары жылдамдықты фотосуретке түсіру сияқты құралдар қолданылды. "Nature" журналының 2000 жылғы 30 қарашадағы санында физиктер Ван ден Энг, Нельсон және Роуч дискілерді вакуумда айналдыру бойынша жүргізген тәжірибелерін талқылады. Ван ден Энг голланд монетасын – риксдаалдерді пайдаланды, оның магниттік қасиеттері оны дәл анықталған жылдамдықпен айналдыруға мүмкіндік берді. Олар дискі мен бет арасындағы сырғанаудың байқауларға себеп болатынын, ал ауаның болуы немесе болмауы дискінің мінез-құлқына аз ғана әсер ететінін анықтады. Олар Моффаттың теориялық талдауы вакуумдағы дискінің айналу уақытын өте ұзақ деп болжайтынын, бірақ мұндай нәтиже байқалмағанын көрсетті. Моффат эксперименттік жолмен қай энергияны ысырату механизмі басым екенін анықтауға мүмкіндік беретін жалпыланған теориямен жауап берді және кішкентай (яғни, дискі тоқтағанға дейін) жағдайда басым энергияны ысырату механизмі сілтістік ысырату болатынын атап өтті. Гюльф университетінде Петри, Хант және Грейдің кейінгі жұмыстары вакуумда (0,1 паскаль қысымда) тәжірибелер жүргізудің энергияны ысырату жылдамдығына елеулі әсер етпейтінін көрсетті. Петри және авторлар сонымен қатар дискіні сақина пішінмен алмастыру жылдамдыққа әсер етпейтінін және 10°-тан жоғары бұрыштарда сырғанаусыз жағдай орындалатынын көрсетті. Капс, Дорболо, Понте, Крузиер және Вандеваллдің тағы бір зерттеуі ауаның энергияны ысыратудың аз ғана көзі екенін көрсетті. Энергияны ысыратудың басты процесі – дискінің тіреу бетімен айналуы және сырғанауы. Тәжірибе көрсеткендей, еңіс бұрышы, прецессия жылдамдығы және бұрыштық жылдамдық қуат заңына бағынады. 2007-2008 жылдардағы Америка Жазушылар Гильдиясының ереуілі кезінде ток-шоу жүргізушісі Конан О'Брайен үстелінде неке сақинасын айналдырып, оны мүмкіндігінше ұзақ айналдыруға тырысты. Ұзақ айналуға қол жеткізу үшін ол MIT профессоры Питер Фишерді шоуға шақырып, мәселені зерттеуге көмектесуін сұрады. Сақинаны вакуумда айналдырудың анық ешқандай әсері болмады, ал тефлоннан жасалған айналдыру тірегі 51 секундтық рекордтық уақытты көрсетті, бұл дөңгелектеу үйкелісі кинетикалық энергияны ысыратудың басты механизмі деген пікірді растады. Энергияны ысыратудың басты механизмі ретінде әртүрлі дөңгелектеу үйкелісі түрлері Лейне зерттеуде, ол тәжірибе жүзінде дискінің жиегі арқылы контакттік нүктенің қозғалысының үйкеліс кедергісі секундтық уақыт шкаласындағы басты ысырату механизмі екенін растады.
Moffatt's theoretical work inspired several other workers to experimentally investigate the dissipative mechanism of a spinning/rolling disk, with results that partially contradicted his explanation. These experiments used spinning objects and surfaces of various geometries (disks and rings), with varying coefficients of friction, both in air and in a vacuum, and used instrumentation such as high speed photography to quantify the phenomenon. In the 30 November 2000 issue of Nature, physicists Van den Engh, Nelson and Roach discuss experiments in which disks were spun in a vacuum. Van den Engh used a rijksdaalder, a Dutch coin, whose magnetic properties allowed it to be spun at a precisely determined rate. They found that slippage between the disk and the surface could account for observations, and the presence or absence of air only slightly affected the disk's behavior. They pointed out that Moffatt's theoretical analysis would predict a very long spin time for a disk in a vacuum, which was not observed. Moffatt responded with a generalized theory that should allow experimental determination of which dissipation mechanism is dominant, and pointed out that the dominant dissipation mechanism would always be viscous dissipation in the limit of small (i. e., just before the disk settles). Later work at the University of Guelph by Petrie, Hunt and Gray showed that carrying out the experiments in a vacuum (pressure 0.1 pascal) did not significantly affect the energy dissipation rate. Petrie et al. also showed that the rates were largely unaffected by replacing the disk with a ring shape, and that the no slip condition was satisfied for angles greater than 10°. Another work by Caps, Dorbolo, Ponte, Croisier, and Vandewalle has concluded that the air is a minor source of energy dissipation. The major energy dissipation process is the rolling and slipping of the disk on the supporting surface. It was experimentally shown that the inclination angle, the precession rate, and the angular velocity follow the power law behavior. On several occasions during the 2007–2008 Writers Guild of America strike, talk show host Conan O'Brien would spin his wedding ring on his desk, trying to spin the ring for as long as possible. The quest to achieve longer and longer spin times led him to invite MIT professor Peter Fisher onto the show to experiment with the problem. Spinning the ring in a vacuum had no identifiable effect, while a Teflon spinning support surface gave a record time of 51 seconds, corroborating the claim that rolling friction is the primary mechanism for kinetic energy dissipation. Various kinds of rolling friction as primary mechanism for energy dissipation have been studied by Leine who confirmed experimentally that the frictional resistance of the movement of the contact point over the rim of the disk is most likely the primary dissipation mechanism on a time scale of seconds.
Танымал мәдениетте
Эйлер дискілері 2006 жылғы "Snow Cake" фильмінде және "The Big Bang Theory" телешоуының 10-шы маусымы, 16-шы сериясында пайда болды, ол 2017 жылдың 16 ақпанында көрсетілді. 2001 жылғы "Pearl Harbor" фильмінің дыбыс режиссерлері торпедалардың дыбыс эффектісі үшін айналатын Эйлер дискісін қолданды. Оскар марапаттау салтанатында дыбыс режиссерлері Эйлер дискісімен ойнап жатқан қысқа видео көрсетілді. Эйлер дискісінің қағидалары 1960 жылғы "The Time Machine" фильмінде футуристикалық жазу құралы ретінде үстелге орнатылған арнайы сақиналармен бірге пайдаланылды.
Euler's Disks appear in the 2006 film Snow Cake and in the TV show The Big Bang Theory, season 10, episode 16, which aired February 16, 2017. The sound team for the 2001 film Pearl Harbor used a spinning Euler's Disk as a sound effect for torpedoes. A short clip of the sound team playing with Euler's Disk was played during the Academy Awards presentations. The principles of the Euler Disk were used with specially made rings on a table as a futuristic recording medium in the 1960 movie The Time Machine.