21 Sie, 2014 przez

Hula-hoop i fizyka


Nie ma niczego odkrywczego w stwierdzeniu, że w hula-hoop zaangażowana jest fizyka. Fizyka, moja zmora średniej szkoły, z którą byłam na bakier i z ulgą pożegnałam w trzeciej klasie, by, jak sądziłam, nigdy już nie spotkać… Ostatnio jednak trafiłam na artykuł, a właściwie internetowe pomoce naukowe dla nauczycieli fizyki i szkolny projekt Sekrety fizyki w hula-hoop. Postanowiłam więc rozruszać szare komórki i spróbować zrozumieć sekret działania obręczy wprawionej w ruch. Opisane w artykule doświadczenie wzbudziło jednak moje wątpliwości. Zadanie polegało na zbudowaniu dwóch obręczy, z których jedną obciążamy dodatkowo kubkiem piasku, a następnie testujemy.

W rezultatach czytamy, że w kręcenie obciążonego kółka wkłada się więcej wysiłku, że kręci się ono wolniej niż lżejsze kółko i że taka sama siła włożona w poruszenie lżejszego i cięższego obiektu poruszy ten cięższy w mniejszym stopniu. I że wynika z tego, że cięższą obręcz trudniej utrzymać w ruchu na biodrach, szybciej spada na ziemię i bardziej męczy kręcącego, niż to samo kółko bez obciążenia. I tutaj właśnie się zasępiłam, ponieważ moje doświadczenia w temacie lżejszych i cięższych kółek są zupełnie inne, i jako początkujący hula-hooper musiałam znacznie więcej wysiłku włożyć w opanowanie lekkiego obiektu. Pytanie, ile uczniowie wsypali piasku do hula, czy go nie przeciążyli aż za bardzo, i czy bardziej niż waga w utrzymaniu kółka na biodrach liczy się średnica? Pomyślałam, że czas skonfrontować swojski “chłopski rozum” z tym, co mówi na ten temat fizyka :)

Szukając odpowiedzi na te pytania znalazłam kilka ciekawych artykułów, ale tylko po angielsku, więc ramię w ramię z Wikipedią, która pomagała mi przełożyć na polski trudne pojęcia z zakresu fizyki, spróbowałam zrozumieć, jak to się dzieje, że się kręci.

Kręcenie hula-hoop na biodrach wiąże się ze stabilnymi, równoległymi do ziemi drganiami (czyli okresowymi i powtarzającymi się ruchami) niestabilnej obręczy wokół ciała ćwiczącej osoby. Jeśli jesteś wewnątrz obręczy, stajesz się centrum rotacji – albo osią obrotu. Jako oś obrotu reprezentujesz źródło napędzające ruch obręczy. Jesteśmy silnikiem maszyny :)

Działanie ciała na kółko wyzwala tzw. moment siły (torque). To tendencja siły, by obracać obiekt wokół osi. Nasza siła napędzająca obręcz jest w tym wypadku równoległa do ziemi. Moment siły jest uzależniony od promienia. Większy promień powoduje, że możemy kręcić szybciej. Wreszcie siła, z jaką działamy, jest niezbędna do utrzymania siły dośrodkowej. Chyba można powiedzieć, że na płaszczyźnie poziomej równoważą się one, żeby utrzymać obręcz w ruchu.

Wróćmy do osi obrotu. Początkujący hula-hooper będzie starał się używać dwóch punktów na ciele do “kontaktu” z obręczą – przodu i pleców bądź prawego i lewego boku. Z czasem będzie próbował zaangażować w ruch większą liczbę punktów wokół talii. Wówczas podtrzymanie hula na jego orbicie będzie wymagało mniej wysiłku. Pamiętacie ten moment, kiedy wreszcie poczuliście, że TO zaskoczyło i mogliście już kręcić w nieskończoność? Każdy element ciała dodaje mały procent energii – jakby od siebi.?

Pomocą służy też inercja czyli bezwładność. Pozwala hula-hoop kontynuować pęd (momentum) przez pewien czas od użycia siły, ale nie bez końca. Tutaj do gry włącza się kolejny ważny czynnik: tarcie (friction). Kiedy hula-hoop wiruje między ciałem a powietrzem, tarcie powoduje spowolnienie ruchu i ostatecznie kółko upada na ziemię. To sprawka grawitacji. Z drugiej strony tarcie jest niezbędne, żeby kółko się kręciło. W pewnym sensie równoważy działanie grawitacji. Chcąc utrzymać obręcz w ruchu dążymy do “tarcia idealnego”, które będzie wypadkową faktury naszego ubrania, powierzchni hula (czy śliska czy może zabezpieczona taśmą gaffer) oraz prędkości, jaką przyłożymy do pędzącego koła :)

Jeśli nie chcemy, żeby hula zostało ściągnięte na ziemię, musimy włożyć więcej wysiłku w napędzanie obręczy poprzez regularne pulsowanie. Będąc jakby o krok przed zbliżającym się kołem pobudzamy je do kolejnego obrotu i sprawiamy, że pęd może trwać. Działanie tych sił: grawitacji, tarcia, momentu siły nadającego pęd – utrzymuje hula-hoop  w równowadze, na określonej wysokości w powietrzu. Niesamowite, prawda? :)

Żeby zobrazować tok swojego myślenia, a inspirując się jednym z artykułów, które wymienię niżej, wysmarowałam takie coś:

fizyka hula 2

Czyli jak to widzę. Pamiętać należy, że z fizyki byłam nogą, ale lubię bawić się Gimpem :) Bardziej wtajemniczeni ode mnie zrobiliby to tak:

hulahop

Źródło: Highland Science Festival

Wracając do kręcenia – nie musimy wcale rozumieć fizyki, żeby to się działo :) Co ciekawe, w ruchu hula-hoop uczestniczy biomechanika. Podobno nie ma rady, by nauczyć hulać robota. Człowiek (albo żyjąca istota) może wyczuć moment, kiedy należy użyć odpowiedniej siły i sprawić, by wirowało. A ponieważ jak każda aktywność fizyczna, hula-hoop wymaga skoordynowanej pracy wielu części ciała, naukowcy próbują zgłębić zagadkę, jaką rolę w tym ruchu odgrywa mózg. Podobno rozprawa z 2004 roku (której nie przeczytałam, więc tylko cytuję za tymi, którzy czytali) dowodzi tego, że w kręceniu najważniejszą rolę odgrywają drgania bioder, kolan i kostek. Ale podobno u każdego człowieka wygląda to nieco inaczej. Indywidualny styl, technika i rytm nie pozwalają fizyce sprowadzić tego ruchu do wspólnego mianownika.

Pozostaje jeszcze jedno. Jak to jest z ciężkością koła, ułatwia, czy utrudnia kręcenie? Być może doświadczenie odniesie skutek tylko wtedy, jeśli zaczniemy od drugiej strony: osobie przyzwyczajonej do kręcenia kołem o określonej wadze podamy hula ciut cięższe. Hula-hooper spróbuje zakręcić z taką samą siłą, i wówczas może się okazać, że kółko szybko spadnie na ziemię.

W swoim opracowaniu korzystałam z: (czyli internetowa bibliografia)

HowStuffWorks?

The Physics of Hula Hooping

Physics of Hula Hooping

Lara Eastburn, The Hooper versus Gravity

 

Kilka złotych myśli na marginesie.

Szkoda, że u mnie w szkole nie robiło się eksperymentów z działania sił na przykładzie hula-hoop. Może jednak przekonałabym się do fizyki…

Ciekawe, co fizycy powiedzieliby na temat 133 obręczy kręconych jednocześnie przez Marawę the Amazing. Hmm? A kręcenie na stopach, kręcenie w pionie, izolowanie… Przed nami jeszcze wiele fizycznych wyzwań :)

Zdjęcie główne to fotografia J.R. Eyermana z lat 50, znaleziona na hooping.org

 

PS. Zachęcam wszystkich do dyskusji. Uprzedzałam, że jestem w temacie laikiem, zatem otwieram się na rzeczowe opinie.

Powyższy artykuł otrzymał aprobatę umysłu ścisłego mojego Męża :)

Jeszcze więcej o hula-hoop na Hulajdusza!!