Úszó testek stabilizálhatósága
A környezetünk nyugalomban lévő elemeinek stabilitása elengedhetetlen szerepet játszik az életünkben. Fizikai stabilitás alatt azt értjük, hogy a testre ható erők kiegyenlítik egymást, ezáltal a test nyugalmi állapotban van, valamint a test kis zavaró hatások ellenére is megmarad az eredeti állapot közelében. Stabil egyensúly szükséges az építészetben fellelhető tartószerkezeti elemek, valamint számos élőlény és robot működéséhez is. A stabilitás szempontjából kiemelt jelentőséggel bírnak a „monostabil” testek [1], amelyeknek egyetlen stabil egyensúlyi helyzetük van, és ezért akár nagy zavaró hatásokat követően is mindig ugyanabba a nyugalmi állapotba térnek vissza.
A stabilitást legtöbbször szárazföldi körülmények között vizsgáljuk, de vajon mi történik akkor, amikor egy szilárd test folyadékban úszik? Az új körülményektől függően megváltozik a testre ható erők nagysága és iránya, ezáltal befolyásolva a test egyensúlyi helyzeteinek számát és stabilitását is. Ebből következtethetünk arra, hogy az esetek többségében a vízben produkált egyensúlyi állapotok nem egyeznek meg egy vízszintes, szilárd felületen létrejövő egyensúlyokkal [2]. Erre példaként szolgálhatnak a tengeralattjárók, vitorlások, konténerszállító hajók különleges, stabilitást biztosító formái.
Dolgozatomban bemutatom az úszó testek mechanikájának alapelveit, majd két általános elvet fogalmazok meg, melyek szerint egy tetszőleges formájú úszó test monostabilitása megvalósítható
(a) megfelelő tömegű tőkesúly test belsejében való elhelyezésével, mellyel nagy mértékben eltolódik a test súlypontja
(b) súlypontjának kisebb mértékben való torzításával, majd a test átlagsűrűségének a víz sűrűségéhez való közelítésével.
A megfogalmazott elvek kísérleti igazolásához 3D nyomtatott PLA és acél anyag kombinálásával előállított hengereket használtam, melyek anyagi kitöltöttségét és súlypontjának helyét módszeresen változtattam. A kísérletek eredményei igazolták a megfogalmazott alapelvek gyakorlati alkalmazhatóságát.
Összességében kijelenthető, hogy az úszó testek monostabilitása egy ritkán vizsgált, ám egy annál nagyobb jelentőségű téma, amely még sok lehetőséget rejt magában. Elképzelhető, hogy az ezen területen tett kutatások a jövőben hozzájárulhatnak új robotikai fejlesztésekhez, az úszó növények mechanikájának jobb megértéséhez, valamint általa könnyebben megérthetjük a testek stabilitásának változásait más körülmények között is.
Hivatkozások:
[1] Várkonyi, Péter L., and Gábor Domokos. „Static equilibria of rigid bodies: dice, pebbles, and the Poincaré-Hopf theorem.” Journal of Nonlinear Science 16.3 (2006): 255-281.
[2] Gilbert, E. N. „How things float.” The American mathematical monthly 98.3 (1991): 201-216.