Физиката на носенето на чаша кафе без разливане


Въпреки какво може да ви накара да повярвате това отдавна забравено петно ​​върху бялата ви риза, хората са доста добри в ходенето с чаша кафе и избягване на разливи, дори ако нашият процент на успех не е съвсем 100 процента. Всеки път, когато успеете да пренесете чашата си от една точка до друга без разливане, вие интуитивно завършвате малко разбираемо постижение на физиката: манипулирате сложен обект като течност.

Това е според група изследователи от Щатския университет в Аризона (ASU), които са моделирали феномена на пренасяне на кафе в опит да насят роботи със същия финес. В свят на нарастваща автоматизация се очаква машините да извършват по-сръчни движения, обяснява Брент Уолъс, доктор на науките. студент в Училището по електрическо, компютърно и енергийно инженерство на ASU, който участва в работата. „Но дори за прости задачи, като носене на чаша вода или чаша кафе, роботът се бори. Всеки ден ние с теб правим чаша кафе и 99 от 100 дни не го разливаме върху себе си“, казва Уолъс. „И така, как да получим лостове за справяне с тези видове проблеми? Е, нека проучим как се държат хората в тези ситуации.

☕️ Науката обяснява света около нас. Ще ви помогнем да разберете всичко – присъединете се към Pop Mech Pro.

Въз основа на предишна работа в Североизточния университет, която установи, че хората имат два основни подхода за манипулиране на сложен обект като течност, екипът на ASU симулира тези отговори, лазериране в преходната фаза между двете, за да разберем защо хората проявяват двоичен отговор – и да видим как роботите могат да се научат да правят същото в бъдеще. В констатации бяха публикувани в списанието Приложен е физически преглед в края на 2021г.

Подход № 1 се нарича нискочестотна стратегия и включва човешки участници, упражняващи постоянна, бавно променяща се сила напред-назад върху чаша за кафе. В резултат на това, ако завъртите чашата си наляво, java вътре следва примера, като махало. Това се нарича синхронизация във фаза. Алтернативно, подход № 2 е високочестотна стратегия, при която хората упражняват рязка, бързо променяща се сила върху чашата. В резултат на този подход, ако завъртите чашата си наляво, java вътре се премества от дясната страна на чашата. Това е известно като антифазна синхронизация.

Тъй като и двете стратегии работеха, макар и в противоположните краища на спектъра, Уолъс предположи, че някои участници в североизточното изследване са превключвали напред-назад между двата подхода, премествайки чашата с удоволствие в някои ситуации и по-деликатно в други моменти. Това го накара да се чуди: Къде се случва преходът между фазова и антифазна синхронизация?

За да провери хипотезата си, Уолъс организира симулиран механичен експеримент, така че да може да използва неограничен брой тестови субекти. Той избра да създаде нелинеен модел на махало, прикрепено към движеща се количка. Количката стои вместо чашата, а махалото представлява плискащото кафе. Една нелинейна система взема предвид всички хаотично поведение, което може да съществува в нашата чаша кафе, обяснява Уолъс. Повечето системи в реалния свят са нелинейни, защото са трудни за дефиниране и не съществуват във вакуум. Докато шофирате кола, например, тя ще ускори 50 мили в час, ако натиснете надолу педала за газ, но няма да се движи с 5000 мили в час, ако продължите да натискате. Линейната система, за разлика от това, е много по-предвидима: пружинна система или а часовник винаги ще се движи по същия редовен начин. Разсъждавайки математически, това се оказва. Графиката за линейното уравнение г = х винаги е права линия; междувременно графиката за г = х2 е нелинейно уравнение, което изглежда като крива, представляваща различни решения, а не само едно.

жена, която държи чаша кафе

Алис Маркел/Популярна механика

Уолъс и неговият екип установиха, че фазата на преход между всяка от стратегиите е различна, но и в двата случая хората могат да превключват между подходите „внезапно и ефективно“, според техния документ. Преходната фаза, както се очакваше, беше най-хаотична, или непредвидим. Но хората се отклониха от това средно положение, придържайки се към единия или другия подход.

Изследователите вярват, че могат да приложат тези контроли в роботи, за да направят движенията си по-предвидими и надеждни, адаптивно боравейки със сложни обекти в постоянно променяща се среда. Въпреки че в момента е възможно да се програмират машини да работят върху a двоичен основа – като хората, които енергично плискат чашата си кафе или нежно вървят с нея – роботите все още не са достатъчно рафинирани, за да се справят с превключването между двата режима. В производствената линия, например, висящите махални системи са доста често срещани, казва Уолъс. Чрез контролиране на вътрешните степени на свобода в производствена система като тази, а роботизирана ръка може по-надеждно да заварява правилната част без превишаване и разтопяване на друг участък.

„Ако имате представа какво искате да прави протезата, като например да направите чаша кафе, можете да изградите тези видове естествени интуиции, които човекът има.

Тази парадигма може да доведе и до по-добро протезиране, според Ying-Cheng Lai, професор в Училището по електрическо, компютърно и енергийно инженерство на ASU, който е участвал в работата. Да приемем, че имате протеза и искате да си направите чаша кафе. Трябва да получите сигнал от вашия мозък към протезата, но е трудно да накарате двете да съвпаднат. „Ако имате представа какво искате да прави протезата, като например да приготвите чаша кафе, можете да изградите тези видове естествени интуиции, които човекът има в редовен сценарий, за да филтрирате референтните команди, идващи от мозъка“, обяснява той.

За да се превърне всичко това в реалност, все още е необходима допълнителна работа за по-добро количествено определяне на фините промени между подходите. Уолъс казва, че екипът ще се опита да изучава системи с повече степени на свобода, като махало с друго махало, висящо от него. Ако всичко се оправи, един ден ще видим роботи които се движат с внимателно намерение – точно като нас.


🍳 Още Кухненска физика: Ето защо храната залепва по вашия тиган

Можете да благодарите на термокапилярната конвекция за това, че храната ви се придържа към любимата ви тиган. Точно така, физиката може да обясни защо понякога месото и зеленчуците ви се забиват по време на готвене. Феноменът кара горещото масло да се образува топчета, разкъсване и разпространение към външните ръбове на тигана, оставяйки страшното сухо петно ​​​​в средата.

Изследвания под ръководството на Александър Федорченко от Чешката академия на науките откри, че този тип конвекция е резултат от неравномерно нагряване. След като олиото за готвене достигне критично тънка точка – което в това изследване постоянно се случва в средата на тигана – то се разкъсва поради загуба на повърхностно напрежение. За да облекчите проблема, опитайте да използвате малко повече масло, за да затрудните достигането до тази критично тънка точка на разкъсване.

Дейзи Ернандес

Това съдържание е създадено и поддържано от трета страна и импортирано на тази страница, за да помогне на потребителите да предоставят своите имейл адреси. Може да успеете да намерите повече информация за това и подобно съдържание на piano.io