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.

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.

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.

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.

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.