Физики исследовали необычную динамику резинового кольца

Впервые учёные не только запечатлели процесс изменения формы вращающихся резиновых колец под влиянием нескольких сил, но и построили модель поведения таких объектов. Опыт провели студенты Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Кристофа Клане (Christophe Clanet) из технологического института в Париже.

Учёные повторяли эксперимент несколько раз с кольцами различной степени жёсткости. По словам исследователей, проявлявшийся эффект изменения формы упругого кольца в природе лучше всего заметен на примере катящихся капель воды (фото Pascal Raux).

Как уточняет Physics World, специалисты изучали кольца диаметром пять сантиметров, сделанные из разновидности резины – винил-полисилоксана. Такую петлю помещали во вращающийся барабан и снимали на видео происходившие с ней изменения.

Уже при небольшой скорости вращения верхняя часть кольца начинала заметно прогибаться вниз, но кольцо "пыталось" держать форму, хотя последняя и приближалась к овалу. А вот когда барабан ускорялся, прогиб увеличивался, пока кольцо визуально почти не разделялось на две отдельные доли.

Идея опыта родилась, когда Клане читал курс лекций в MIT во время четырёхмесячной практики. Однажды он попросил студентов придумать вариацию на тему хрестоматийного опыта Галилея со сферой на наклонной плоскости. Так сферу заменили на упругое кольцо, а плоскость, ввиду ограниченного размера лаборатории, на крутящийся барабан (фото Pascal Raux, иллюстрация Physics World).

При дальнейшем наращивании темпа вращения прогибающаяся часть резиновой ленты соприкасалась с нижней частью, бегущей в другую сторону. Тут же из-за возникающих вибраций своих сегментов кольцо, словно живое, выпрыгивало из барабана. (Посмотреть видеозапись опыта можно на этой странице.)

В результате эксперимента учёные получили уравнения, описывающие изменение формы кольца и позволившие построить модель действующих на него сил. По словам Клане, наблюдавшийся эффект вызван "компромиссом между гравитацией, энергией кривизны (силами упругости) и энергией вращения ленты".

По мнению авторов, их работа может оказаться полезной в разных областях, порой совсем неожиданных. Например, при беге и застывании лавы происходят похожие процессы. По мере охлаждения лава становится вязкой и проявляет схожие с резиной свойства. Статья учёных опубликована в Physical Review Letters.