ИНЖЕНЕРЫ НАУЧИЛИ РОБОТА ПЛАВАТЬ В ТОЛЩЕ ПЕСКА

Содержание

Почему это важно

Песчаная рябь марсианских песков

NASA/JPL-Caltech/Univ. of Arizona

Исследователи предполагают, что их расчеты также можно использовать для прогнозирования того, когда это произойдет, и даже для того, чтобы оглянуться назад на прошлые погодные и климатические условия, основанные на отложениях, оставленных предыдущими мегарябями.

Полученные результаты применимы даже за пределами Земли: они могут дать нам лучшее понимание того, как мегарябь создается на таких планетах, как Марс, и какие атмосферные условия необходимы для их образования, в противовес к другим типам песчаных волн.

Ученые выяснили, что песок в пустыне подчиняется математической закономерности

Везде, где есть песок и атмосфера, господствующие ветры могут придавать песчинкам волнообразные формы, радуя глаз своим повторяющимся паттерном – в нем есть некое умиротворение, согласитесь. И в этих повторениях лишь спустя десятки лет исследований удалось обнаружить жесткую закономерность.

Определенные песчаные волны с длиной волны от 30 сантиметров до нескольких метров известны как «мегарябь»: по размеру они находятся между обычной пляжной рябью и полными дюнами, и ученые наблюдали их не только на Земля, но даже на других планетах, таких как Марс, известный своими всеохватывающими пылевыми бурями.

Помимо размера, ключевой характеристикой этих «рябей среднего плана» является размер самого песчаного зерна — крупные зерна лежат поверх гораздо более мелких образований. Тем не менее, эта смесь зерен никогда не бывает одинаковой, как и ветры, которые дуют по песку, чтобы создать рябь.

Исследователи обнаружили удивительную математическую особенность мегаряби: деление диаметра самых крупных зерен в смеси на диаметр самых мелких зерен всегда равно одинаковому числу — в течение десятилетий исследований эта аномальная закономерность попросту ускользала от внимания ученых. Авторы исследования заключают, что в будущем это число можно будет использовать для классификации различных типов волн и того, какие именно процессы транспортировки зерна их сформировали.

А еще интересно:  МОТОР ПЕЧИ 2108 2109 21099 2113 2114 2115 В

Когда ветер хлещет по песку, мелкая рябь возникает из-за того, что мелкие песчинки толкают более крупные. Перемещаясь с разной скоростью, крупные зерна собираются на гребнях ряби, а мелкие обычно оседают во впадинах.

Исследователи изучили образцы с участков мегаряби в Израиле, Китае, Намибии, Индии, Израиле, Иордании, Антарктиде и Нью-Мексико в США. Дальнейший анализ был добавлен из наблюдений, сделанных на Марсе и в лабораторной аэродинамической трубе. «Обширная коллекция наземных и внеземных данных, охватывающая широкий спектр географических источников и условий окружающей среды, подтверждает точность и надежность этого неожиданного теоретического открытия», — пишет команда.

Что также отличает мегарябь, так это то, что она более хрупкая, чем более мелкая песчаная рябь и более крупные дюны, и более восприимчива к капризам меняющихся ветров — если ветер становится слишком сильным, механизмы, создающие мегарябь, перестают работать.

Американские инженеры разработали робота, способного автономно передвигаться в толще сыпучего материала, проталкивая себя вперед с помощью двух конечностей, напоминающих плавники. В испытаниях робот продемонстрировал способность передвигаться в песке на глубине около 127 миллиметров со скоростью до 1,6 миллиметра в секунду. Статья опубликована в журнале Advanced Intelligent Systems.

При поддержке Angie — первого российского веб-сервера

Сыпучие материалы, такие как песок, мягкие почвы, снег или лунный реголит, представляют собой довольно сложную среду для передвижения. Объекты, движущиеся в их толще, испытывают высокое сопротивление, возрастающее с глубиной погружения. Кроме того, сыпучая среда ограничивает возможности зондирования и обнаружения препятствий. Тем не менее инженеры пытаются создать роботов, способных передвигаться в таких условиях. Например, американские разработчики представили прототип робочервя, способного двигаться в толще песка. Для снижения сопротивления он выдувает перед собой воздух, и одновременно разматывает мягкую оболочку своей передней части, выталкивая ее вперед, в то время как остальное тело остается неподвижным. Это позволяет значительно снизить сопротивление движению. Однако для его работы требуется воздух, который приходится подводить с поверхности.

Создать робота, который смог бы передвигаться в песке автономно, решили инженеры под руководством Ника Гравиша (Nick Gravish) из Калифорнийского университета в Сан-Диего. Разработанный ими робот перемещается, проталкивая себя вперед через толщу сыпучей среды с помощью двух гибких конечностей, напоминающих плавники морской черепахи.

Конечности состоят из пяти звеньев. Каждое звено способно вращаться относительно предыдущего, но углы их отклонений ограничиваются с помощью фиксаторов. В движение оба плавника приводятся через червячную трансмиссию с помощью единственного электромотора. При этом трансмиссия воздействует только на первые ближайшие к корпусу звенья. Благодаря фиксаторам, ограничивающим углы поворотов звеньев, при движении вперед конечности изгибаются, испытывая меньшее сопротивление среды, а при движении назад наоборот, распрямляются, позволяя роботу отталкиваться от песка. На концах конечностей разработчики поместили сенсоры, с помощью которых робот может обнаруживать расположенные сверху объекты.

Корпус робота длиной около 26 сантиметров имеет прямоугольное сечение и утолщение в передней части, которое позволяет снизить сопротивление песка при движении. Нос робота заострен и имеет наклонную поверхность сверху, которая необходима для компенсации подъемной силы, возникающей при движении в песке. С этой же целью по бокам после проведенных тестов пришлось разместить два дополнительных наклонных неподвижных плавника, так как робот имел тенденцию задирать нос при движении под действием выталкивающей силы. Чтобы избежать попадания песчинок в механизм, конечности поместили в чехлы из нейлоновой ткани.

Разработчики протестировали робота, погруженного на глубину 127 миллиметров в песок, сначала в небольшом искусственном резервуаре, а после в естественных условиях в песке на пляже. В сухом песке робот смог развить скорость 1,6 миллиметра в секунду. В более влажном песке на пляже робот двигался медленнее, со скоростью около 0,57 миллиметра в секунду.

В будущем инженеры планируют увеличить скорость передвижения робота, а также научить его самостоятельно погружаться в песок.

Ранее мы рассказывали об исследовании, в котором физики выяснили, что происходит со структурой песка при передвижении по нему с помощью прыжков. Они обнаружили, что при правильно подобранном времени задержки между приземлениями и новым толчком, можно увеличить высоту прыжка на 20 процентов и даже больше.

С одной стороны, ходьба или бег по песку требует больше энергии, но с другой стороны таким образом можно помочь своему организму восстановиться после травм.

Некоторые люди обожают ходить или бегать по песчаным пляжам. Но, как известно, данный способ передвижения очень труден, если сравнивать с ходьбой или бегом по твердой поверхности. Почему на самом деле сложнее двигаться по песку, чем, например, по асфальтированному тротуару? На этот вопрос изданию Live Science отвечают ученые.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

По словам Паолы Зампаро из Университета Вероны, Италия, перемещение по песчаной поверхности усложняется тем, что песок в отличие от твердых покрытий соответственно мягкий, а значит организму требуется больше усилий для передвижения. По словам ученой, на то, чтобы сделать один шаг по песку организм тратит в 2-3 раза больше энергии, чем если бы человек перемещался по, например, асфальтированному тротуару.

По словам Зампаро, на самом деле главная причина в большей трате энергии состоит не в том, что в песке можно «утонуть», а в том, что сама поверхность неровная. То есть у человека нет надежной опоры, а для движения по неровным поверхностям организму нужно прикладывать гораздо больше усилий.

По словам Барбары Грант из Ливерпульского университета, Великобритания, для того, чтобы нормально перемещаться по песку человеческий организм вносит коррекции в саму походку. То есть мозг посылает сигналы некоторым мышцам, особенно на лодыжках и стопах, что они должны работать более усиленно, в то время как при обычной ходьбе они должны отдыхать.

«Чтобы человек стабилизировал свое перемещение по песку, эти мышцы должны активно сокращаться. Это значит, что вы устаете намного быстрее, чем при ходьбе по твердой поверхности. В принципе, подобное происходит и при движении по покрытой камнями дорожке», — говорит Грант.

Как показало исследование ученых из Ливерпульского университета, во время движения по песку, снегу, а также покрытой грязью поверхности, люди делают более длинные шаги и при этом совершают больше движений бедрами и коленями. Все это приводит к тому, что организм тратит больше усилий, а значит и энергии на перемещение по таким поверхностям.

Что касается бега по песку, то оказалось, что во время спринта организм человека тратит не в 2 раза, как при ходьбе, а только в 1,6 раза больше энергии, чем во время бега по ровной дорожке. Но в любом случае бежать по песку все-таки тяжелее, чем ходить по нему.

По словам ученых, если уж очень хочется нормально перемещаться по песчаной поверхности, то здесь на помощь придет вода. Если идти или бежать по пляжу рядом с береговой линией, то влажный песок, который становится более твердым, облегчит перемещение. Но с другой стороны, слишком мокрый песок намного усложнит задачу.

«Проще всего снизить чувство дискомфорта во время перемещения по песку можно с помощью обуви. Площадь поверхности стопы увеличится, а значит вы сможете легче ходить или бежать. Но не все любят бродить по пляжу обутыми», — говорит Грант.

«Наши исследования показывают, что на самом деле передвижение по песку может иметь много положительных эффектов. Например, здесь можно тренировать мышцы во время неспешной ходьбы или бега. Песок является лучшей поверхностью для восстановления организма после травм. Но нужно быть очень осторожными, ведь песок — это нестабильная структура, поэтому вместо позитива можно получить дополнительную травму», — говорит Зампаро.

Как уже писал Фокус, ученые обнаружили, что страх и отвращение повышают кислотность желудка. Наша желудочная активность усиливается, когда мы сталкиваемся с вещами, от которых нам следовало бы держаться подальше.

Особое коварство зыбучих песков состоит в том, что, находясь в состоянии покоя, они кажутся вполне надёжной твердью. Однако совсем малые (менее 1 %) изменения в механическом напряжении на их поверхности влекут за собой значительное уменьшение их вязкости. Благодаря тонкой пленке воды или испарине, обволакивающей песчинки таких песков, сцепление между ними крайне мало. Ступив на кажущуюся твердой землю, человек проваливается и начинает тонуть.

Предупреждение о зыбучих песках

Нередко в плывун превращается обычный песок, под слоем которого появился стремящийся вверх источник воды. Вода заполняет пространство между песчинками, раздвигая их и тем самым уменьшая сцепление между ними, в результате чего песок становится подвижным и зыбким. Находясь длительное время в состоянии покоя, зыбучий песок может подсохнуть на поверхности, создавая иллюзию прочной тверди, и даже может кое-где порасти травой.

Из-за высокой плотности зыбучего песка попавшие в него человек или животное не тонут в нём полностью, то есть в большинстве случаев песок не является причиной смерти сам по себе. Но поскольку песок сковывает и лишает возможности выбраться увязшего в нем человека, человек становится уязвимым для прочих опасностей, как то: морского прилива, палящего солнца, обезвоживания организма и т. д.

Как засасывают зыбучие пески

Зыбучие пески на скалистом острове Мон-Сен-Мишель (Франция)

Во многих местах на земном шаре люди веками жили в страхе перед зыбучими песками, которым приписывалась таинственная способность засасывать жертву, пока от неё не останется и следа на поверхности земли. В действительности зыбучий песок не обладает подобной силой. Если знать, что это такое и как себя на нём следует вести, то он не причинит человеку никакого вреда.

Обычно плывуны появляются вблизи устья больших рек и на пологих берегах. Под ними находится слой вязкой, плотной глины, не пропускающей влагу внутрь земли, что и способствует накоплению в нём дождевой и речной воды. В отличие от обычных песчинок, имеющих неправильную или заострённую форму, песчинки плывунов являются маленькими кругленькими шариками. Скапливающаяся под ними вода разжижает песок, и песчинки как бы всплывают в ней, именно поэтому они и не способны удержать на поверхности тяжелые объекты.

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!

Как выбраться из зыбучих песков

Автор Брюс Файф никогда не полагал, что ему придется испытать на себе смертельную хватку песчаных тисков. Он попал в плывун по дороге домой в месте, которое считал самым обычным и вполне безопасным; вечером после работы он провалился по колено в неглубокую впадину, где собирались стекающие из каменоломни жидкие отходы.

Глубина зыбучих песков, как правило, не превышает метра, а если учесть, что плотность человеческого тела в два раза меньше, чем у песка, то человек не увязает выше чем по пояс. Но все складывается гораздо хуже, если человек начинает сопротивляться пескам. Вязкость зыбучих песков меняется, при сильном давлении песок разжижается, и человек начинает тонуть. Так что паника и резкие телодвижения в данных условиях противопоказаны. Но если замереть и ничего не предпринимать, то песок станет еще плотнее и выбираться будет тяжело. Самое главное в данных обстоятельствах — сохранять спокойствие.

В первую очередь следует освободиться от всех тяжелых предметов, выбросив их подальше. После этого необходимо откинутся назад, чтобы освободить больше места. Вода начнет заполнять появившиеся в песке промежутки, что облегчит движение и упростит подтягивание к поверхности. Хорошо, если удастся взять палку и втиснуть её себе под спину, используя в качестве рычага.

С давних пор в Англии печальную известность приобрел залив Моркам, знаменитый не только зыбучими песками, но и высокими морскими приливами. Согласно данным местных служб, с 1990 года здесь погибло 150 человек. Во время отлива море отступает достаточно далеко, а песок быстро подсыхает, превращаясь в привлекательный пляж и создавая иллюзию безопасности.

Сухие зыбучие пески

По мнению голландских исследователей, «сухие» зыбучие пески образуются после того, как значительные массы мелкого песка и песчаной пыли, поднятые в воздух песчаной бурей, постепенно оседают обратно на землю. Песчинки разной массы в совершенно одинаковых условиях могут вести себя по-разному, между ними могут возникать разные силы сцепления.

Детлеф Лозе и его коллеги из Университета Твенте в Энсхеде (Нидерланды) с помощью лабораторных исследований попытались найти объяснение этому загадочному явлению. Они изучали рыхлые структуры, которые образует осевший мельчайший песок. Как оказалось, поверхность песка не может удержать даже достаточно лёгкие предметы.

Зыбучие пески (Локано, Аквитания, Франция)

Исследователи экспериментировали с мельчайшей песчаной пылью, размеры крупинок которой составляли всего несколько сотых долей миллиметра. Ученые распылили песок воздушным потоком и подождали, пока пыль осядет на дно лабораторной ёмкости, после чего подвесили на ниточке прямо над поверхностью песка шарик для пинг-понга, начиненный мелким бронзовым порошком, и аккуратно пережгли нить. Упавший на поверхность песка шарик исчез в его глубине, а спустя долю секунды вверх взметнулась тонкая струйка пыли. Вместе с нею из песка вышел затянутый падающим шариком воздух, песчаная поверхность при этом лишь едва заметно шелохнулась.

Доставать шарик исследователям пришлось с глубины порядка 10 см, что в пять раз превышалодиаметр шарика. Ученые сделали предположение, что глубина погружения предмета определяется его весом — чем тяжелее предмет, тем глубже его погружение.

Зыбучие пески (журнал Панч, 20 сентября 1890 года)

Пески Гудвинских мелей на мысе Саут-Форленд (Англия) издавна всемирно известны как кладбище кораблей. Здесь покоятся полузасыпанные суда, торчат остатки мачт парусников и ржавые трубы современных кораблей. Пески затягивают корабли настолько цепко, что спасти их становится невозможно.

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *