Учёные из Университета Ватерлоо совершили то, что раньше считалось невозможным — заставили шар катиться вниз по абсолютно вертикальной поверхности без приложения внешней силы.
Спонтанное движение, зафиксированное высокоскоростными камерами, стало неожиданностью после месяцев проб, ошибок и теоретических расчётов двух исследовательских групп из Ватерлоо.
«Когда мы впервые увидели, как это происходит, мы были, честно говоря, в недоумении», — сказал доктор Сушанта Митра, профессор машиностроения и мехатроники, исполнительный директор Института нанотехнологий Ватерлоо.
«Мы всё перепроверили, потому что это казалось противоречащим здравому смыслу. В лаборатории царило волнение, когда мы подтвердили, что это не случайность и что это действительно вертикальное качение», — добавил он.
Открытие стало возможным благодаря нахождению правильного баланса эластичности (мягкости) между сферой размером с горошину и вертикальной поверхностью размером с экран мобильного телефона, использованной в экспериментах.
Если бы сферы были слишком мягкими, они прилипали бы к поверхности или скользили по ней. Если бы они были слишком жёсткими, они падали бы прямо вниз под действием силы тяжести.
Но когда исследователи нашли правильную комбинацию эластичности — со сферой, по консистенции напоминающей мармеладного мишку, и поверхностью, напоминающей губчатый коврик для мыши, — сфера медленно катилась вниз со скоростью примерно один миллиметр каждые две секунды.
«Ключевым моментом является то, что при качении сфера слегка меняет форму в точке контакта», — сказал Митра. «Передний край действует как застёжка-молния, а задний — как её открытие. Эта асимметрия создаёт достаточно силы, чтобы поддерживать качение без прилипания или полного падения».
Статья «Спонтанное качение мягкой сферы по вертикальной мягкой подложке» была опубликована в журнале Soft Matter. В аннотации к статье говорится, что открытие «ставит под сомнение наше базовое понимание физики».
Практическое применение, по словам Митры, может быть использовано при разработке мягких роботов для осмотра труб, исследования пещерных систем или помощи в производстве более совершенного оборудования для миссий на Марс или других целей освоения космоса.
«Это открывает совершенно новый взгляд на движение по вертикальным поверхностям», — сказал Митра. «В настоящее время роботы и транспортные средства ограничены горизонтальными или слегка наклонными поверхностями. Это открытие может изменить ситуацию».
Предоставлено Университетом Ватерлоо.