물리학자들이 어린이 스윙의 비밀을 풀다

많은 어린이들에게 놀이터 세트에서 그네를 타는 것은 제2의 천성처럼 느껴집니다. 그러나 어린아이가 직관하는 것을 성장한 과학자들은 자세히 이해하려고 노력합니다. 이제 새로운 수학적 모델은 그네의 동작이 증가함에 따라 그네를 타는 어린이가 기술을 미묘하게 바꾸는 방법을 포착하고 유비쿼터스 놀이터 장비가 작동하는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니다.

수많은 스포츠의 기계적 측면을 연구해 온 캘리포니아 대학교 데이비스 캠퍼스의 명예 엔지니어인 Mont Hubbard는 "모델은 단순하지만 완전해 보입니다."라고 말했습니다.

그네는 기본적으로 진자입니다. 질량(기수)은 한 쌍의 체인으로 머리 위 바에 매달린 좌석에 앉습니다. 시트가 바에 수직으로 매달려 있는 평형 위치에서 멀어지면 바깥쪽으로 움직이지만 약간 위쪽으로도 움직입니다. 그런 다음 중력은 스윙을 초기 위치로 다시 끌어당기고 스윙이 오버슛합니다. 스윙이 반대 방향으로 바깥쪽으로 휘둘러지면 중력이 다시 한번 스윙을 바 아래로 끌어당깁니다. 중앙을 향해 끊임없이 뒤로 당기는 것이 스윙을 앞뒤로 진동시키는 원인이 됩니다.

표준 진자가 흔들리도록 하려면 외부 힘이 필요합니다. 아기가 계속 흔들리려면 주기적으로 밀어야 한다고 생각해 보세요. 그러나 대략 6세가 되면 일반적인 어린이는 진자의 운동에서 적절한 순간에 체중을 이동하여 스스로 추진하는 방법을 배웠습니다. 그네가 뒤쪽으로 가장 높은 지점에 도달하면 아이는 뒤로 기대어 다리를 쭉 뻗고 체중을 이동하여 그네가 앞으로 나아갈 때 사슬에 맞춰 누워 있는 대신 뒤에서 뒤처지게 됩니다. 포워드 스윙의 가장 높은 지점에서 라이더는 다리를 집어넣고 앞으로 몸을 기울여 체중을 체인 앞에 싣습니다. 라이더의 무의식적 목표는 항상 일정하게 유지됩니다. 즉, 스윙에 각운동량을 추가하고 스윙의 진폭을 증가시키는 방식으로 질량 중심의 위치를 ​​이동하는 것입니다.

실제로는 어린이 놀이이지만 모델에서 필수적인 물리학을 포착하는 것은 쉽지 않습니다. 연구자들은 시스템을 정확하게 설명할 수 있을 만큼 충분한 세부 정보를 포함해야 하지만 시스템을 다루기 힘들 정도로 복잡하게 만들 정도로 많은 세부 정보를 포함해서는 안 됩니다. 1990년에 제시된 한 모델은 라이더가 단순한 사인파 운동에서 일정한 주파수로 앞뒤로 흔드는 것으로 가정했습니다. 즉, 움직임이 시간에 따라 사인파 모양을 만든다는 의미입니다. 이 모델은 낮은 스윙 진폭에서는 충분히 잘 작동하지만 스윙 진폭이 증가하면 성능이 저하됩니다. 그 이유는 아이가 점점 더 높이 스윙할수록 스윙 빈도가 감소하기 때문입니다. 라이더가 고정된 주파수로 계속 펌프질을 한다면 그들의 움직임은 결국 스윙과 동기화되지 않게 되고 시스템에 에너지를 공급하고 움직임을 유지하는 능력을 잃게 됩니다.

다른 모델에서는 어린이가 무의식적으로 이러한 주파수 변화를 느끼고 이에 따라 체중 이동 타이밍을 조정한다고 가정했습니다. 그러나 이러한 모델은 또한 그러한 변화가 스윙의 가장 높은 지점에서 즉각적이고 충격적으로 발생한다고 가정하지만 실제로는 어린이가 부드럽고 연속적인 동작을 사용합니다.

이제 Jumonji University의 Chiaki Hirata와 그의 동료들은 두 가지 접근 방식 사이의 절충안을 찾았습니다. 그들은 몸통, 좌석, 아랫다리로 구성된 3가지 구성 요소 시스템으로 흔들리는 어린이를 모델링했습니다. 몸통과 아래쪽 다리는 각각 진동 방식으로 좌석을 기준으로 움직이지만 진동 빈도는 펌핑에 최적으로 유지되도록 변경됩니다.

이 모델을 기반으로 연구원들은 스윙이 막 시작될 때 스윙이 앞으로 나아갈 때 평형 위치를 통과할 때 몸을 완전히 뒤로 젖히는 것이 최적의 펌핑 전략이라는 것을 발견했습니다. 그러나 진폭이 증가함에 따라 스윙어가 백스윙에서 가장 높은 지점에 있을 때 더 일찍 몸을 뒤로 젖히는 쪽으로 최적의 타이밍이 이동합니다. 과학자들은 일종의 놀이터 실험실에서 그네를 타는 실제 인간을 사용하여 모델을 테스트한 결과 실제 생활과 잘 일치한다는 사실을 발견했다고 Physical Review E의 언론에 발표된 논문에서 보고했습니다.