Начальная фаза и частотные модуляции раскачки детских качелей

Начальная фаза и частотные модуляции раскачки детских качелей

Дети не знают законов физики, но они успешно воплощают их в жизнь

Крылатые качели летят, летят, летят

Чтобы построить модель динамики качелей авторы объединили и расширили ключевые аспекты двух типов моделей движения частей тела. Первый (классический) подход определяет движение верхней части тела при которой верхняя часть тела свингера движется плавно и естественно - модель с фиксированной частотой, FFM. Второй (современный) подход предполагает, что свингер определяет, когда скорость замаха становится равной нулю, и резко перемещает верхнюю часть тела в эту точку - модель прямоугольной волны, SWM. Свингер делает прямоугольные изменения угла наклона верхней части тела, когда седло качелей достигает самые высокие крайности, спереди и сзади. Цель данной статьи состояла в том, чтобы предложить модель, которая лучше отражает поведение человека на качелях, путем объединения характеристик плавного движения верхней части тела FFM с характеристикой частотной адаптации SWM, свингер плавно перемещает верхнюю часть тела, чтобы модулировать движение до состояния свинга. Это достигается определением начальной фазы и частотой движения верхней части. Модель предсказывает, что для раскачивания требуется не только изменять частоту движений верхней части тела, но и начальный этап движения, чтобы эта соединительная система оставалась эффективной.

Для проверки предложенной модели и роли начальной фазы движения, записали 10 участников, качающихся на качели. Лабораторные качели сконструированы таким образом, чтобы можно было регулировать длину цепей от верхней перекладины до сиденья. Длина цепи является одним из основных параметров, определяющих резонансную частоту качения. Изучены данные о движениях участников, раскачивающихся на 3 цепях разной длины. В исследовании приняли участие студентки колледжа (средний возраст 20,3 года). Все участники заявили, что ранее научились эффективно качать детские качели (обычно в детстве). Они не были специально обучены для целей этого исследования и не практиковались в раскачивании качелей в лаборатории перед записью. Качели с горизонтальной стойкой высотой 2,29 м. Использованы 3 длины цепей для крепления сиденья: 1,61 м, 1,81 м и 2,01 м в длину. Цепи состоят из 4 сегментов с 3 узлами, чтобы участники могли легко захватить цепь. Система захвата движения из 4 камер (OQUS 300, Qualisys, Швеция), использовалась для измерения положения оптических маркеров, закрепленных на качелях и на участниках. К качелям прикреплены 3 маркера: один на верхней стойке и по одному спереди и сзади сиденья качелей. К участникам прикреплены 7 маркеров: (1) макушка, (2) плечо, (3) бедро, (4) колено, (5) лодыжка, (6) локоть и (7) запястье. Участников просили качать качели из состояния покоя, сидя, пока амплитуда не увеличилась более чем на 40 градусов, не пиная пол. Когда экспериментатор решил, что амплитуда колебаний достаточно велика, он объявил, что участник может остановиться. Продолжительность и максимальная амплитуда качания различались между сеансами - средняя продолжительность 60 с. Каждый участник выполнил одно испытание для каждой длины цепи.

Фактические данные показали, что плавные движения верхней части тела могут усиливать движения качелей выше 40 градусов, согласовывая как частоту, так и начальную фазу движения верхней части тела. Качание раскачивает больше всего, если фаза максимального наклона назад (начальная фаза), происходит, когда качание находится в вертикальном (среднем) положении и движется вперед, когда амплитуда мала. По мере роста амплитуды оптимальная начальная фаза постепенно смещается в сторону более ранней фазы цикла, заднего экстремума траектории качания. Как и предсказывала модель, все участники смещали начальную фазу движений верхней части тела раньше по мере увеличения амплитуды замаха. Это указывало на то, что свингеры регулируют как частоту, так и начальную фазу движений верхней части тела, чтобы успешно качать качели на игровой площадке. Участники, как правило, демонстрировали неизменную амплитуду откидывания назад во всех амплитудах качания, постоянно максимально отклоняясь назад. Поэтому динамику накачки качелей можно рассматривать как систему, в которой свингеры фиксируют пространственные степени свободы, модулируя (контролируя) временные степени свободы. Несмотря на эффективность предложенной модели, остается неясным, как люди-свингеры непрерывно модулируют частоту верхней части тела и начальную фазу от цикла к циклу. Довольно просто найти оптимальный период и начальную фазу для одного цикла. Однако фактическое накачивание качелей на игровой площадке представляет собой последовательность циклов, и каждый цикл тесно и непрерывно связан с последующим. Дети не знают законов физики, но они каким-то загадочным образом успешно воплощают их в жизнь.

Хирата Чиаки (Chiaki Hirata), Шуничи Китахара (Shun'ichi Kitahara), Университет Джумондзи, Юдзи Ямамото (Yuji Yamamoto), Нагойский университет, Казутоши Гохара (Kazutoshi Gohara), Университет Хоккайдо, Япония, Майкл Дж. Ричардсон (Michael J. Richardson), Университет Маккуори, Австралия, опубликовли работу "Начальная фаза и частотные модуляции накачки детских качелей", "Физический обзор, коллективные явления систем многих тел" (Physical Review E), 107, 044203, 10 апреля 2023.

20.04.2023