Κυριακή, 24 Μαΐου 2015

Η φυσική της μπούκλας Επιστήμονες ανέπτυξαν το πρώτο τρισδιάστατο μοντέλο που προβλέπει τη δυναμική των σγουρών μαλλιών

Η φυσική της μπούκλας

Επιστήμονες ανέπτυξαν το πρώτο τρισδιάστατο μοντέλο που προβλέπει τη δυναμική των σγουρών μαλλιών
Εχετε παρατηρήσει ότι στα κινούμενα σχέδια που δημιουργούνται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή οι ήρωες έχουν σπανίως, αν όχι ποτέ, κατσαρά μαλλιά; Αυτό δεν οφείλεται σε λόγους αισθητικής αλλά απλής... μηχανικής. Τα σγουρά μαλλιά απουσιάζουν από τα σύγχρονα καρτούν επειδή κανείς - πόσω μάλλον ο ηλεκτρονικός υπολογιστής - δεν γνωρίζει ποια είναι η «συμπεριφορά» τους. Πρόσφατα όμως μια ομάδα επιστημόνων από τις Ηνωμένες Πολιτείες και τη Γαλλία ανέπτυξε το πρώτο τρισδιάστατο μοντέλο που προβλέπει τη δυναμική μιας μπούκλας. Αυτό δεν αφορά απλώς... τρίχες: οι εφαρμογές του δεν περιορίζονται μόνο στα κινηματογραφικά στούντιο αλλά αναμένεται να προσφέρουν σημαντικές υπηρεσίες στην ιατρική, στις τηλεπικοινωνίες, στην ηλεκτροδότηση, στην παροχή φυσικού αερίου και πετρελαίου και γενικώς σε οτιδήποτε έχει σχέση με την ανάπτυξη σωληνώσεων και καλωδίων.
Ράβδοι και μαλλιά
Ο Πέδρο Ρέις, επίκουρος καθηγητής στο τμήμα Πολιτικών Μηχανικών του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) και επικεφαλής της μελέτης, θέλησε να διερευνήσει ακριβώς αυτά τα τελευταία προβλήματα της μηχανικής όταν άρχισε να μελετά τη συμπεριφορά λαστιχένιων «ράβδων» που αιωρούνται υπό το βάρος τους. Καθώς όμως μελετούσε τις διαφορετικού μήκους και πάχους ράβδους που κρέμονταν στο εργαστήριό του παρατήρησε ότι έμοιαζαν πάρα πολύ με μαλλιά που «χύνονται» από ένα σγουρόμαλλο κεφάλι. Συνειδητοποιώντας ότι η λύση του προβλήματος που τον απασχολούσε βρισκόταν τελικά στις... μπούκλες αποφάσισε να έρθει σε επαφή με έναν γάλλο επιστήμονα, τον Μπαζίλ Οντολί του Πανεπιστημίου Πιερ και Μαρί Κιουρί στο Παρίσι, ο οποίος είχε αναπτύξει μια θεωρία για τη δυναμική των ανθρώπινων μαλλιών σε δυο διαστάσεις (το μοντέλο αυτό μάλιστα, το οποίο δημοσιεύθηκε το 2006, χρησιμοποιείται σήμερα από τα προγράμματα πολλών σχεδιαστών κινουμένων σχεδίων).Το πέρασμα από τα ίσια μαλλιά στις μπούκλες και από τις δυο διαστάσεις στις τρεις δεν ήταν τόσο απλό. Οι δυο καθηγητές, σε συνεργασία με τους ερευνητές Τζέιμς Μίλερ του ΜΙΤ (ο οποίος έκανε το διδακτορικό του επάνω σε αυτό το θέμα) και Αρνό Λαζαρούς του Κιουρί, συνδύασαν πειράματα στο εργαστήριο, προσομοιώσεις στον υπολογιστή και θεωρία - «το τέλειο τρίγωνο της επιστήμης», όπως λέει ο κ. Ρέις - για να εντοπίσουν τις βασικές παραμέτρους των σγουρών μαλλιών και να τις απλοποιήσουν σε δυο χωρίς διαστάσεις παραμέτρους: η μια αφορά την καμπυλότητα (σχετίζεται με τον λόγο της καμπυλότητας προς το μήκος) και η άλλη αφορά το βάρος (σχετίζεται με τον λόγο του βάρους προς τη σκληρότητα). Με βάση την καμπυλότητα, το μήκος, το βάρος και τη σκληρότητα το μοντέλο που ανέπτυξαν μπορεί να προβλέψει το σχήμα που θα πάρει μια τρίχα, ένας χαλύβδινος σωλήνας ή ένα καλώδιο του Internet καθώς αιωρούνται υπό το βάρος τους.
Η ανατομία της μπούκλας

Το τρισδιάστατο μοντέλο της μπούκλας «κέρδισε» το πρωτοσέλιδο της έγκριτης επιθεώρησης «Physical Review Letters»

Καθώς μια μπούκλα «κατσαρώνει» ξεκινώντας από τη βάση της με κατεύθυνση προς τα πάνω, αρχικά ο κυματισμός της δημιουργείται σε ένα επίπεδο, σε δυο διαστάσεις, ώσπου τελικά φθάνει σε ένα σημείο στο οποίο γίνεται ασταθής εξαιτίας του βάρους της και «ξεφεύγει» από το επίπεδο μετατρεπόμενη σε έλικα με τρεις διαστάσεις. Oπως περιγράφουν οι ερευνητές, η έλικα αυτή μπορεί να είναι «εντοπισμένη» (στην περίπτωση αυτή μόνο ένα τμήμα της τούφας των μαλλιών είναι σγουρό) ή «καθολική» (στην περίπτωση αυτή το κατσάρωμα εκτείνεται κατά μήκος ολόκληρης της τούφας, από το κεφάλι ως την άκρη της).

Η μπούκλα μπορεί να αλλάξει φάσεις - από δισδιάστατη σε τρισδιάστατη «εντοπισμένη» έλικα, σε «καθολική» έλικα και αντιστρόφως - αν οι παράμετροί της μεταβληθούν. Εξαιτίας της έλξης της βαρύτητας μια μπούκλα αποκτά βάρος από τη βάση της, η ρίζα της μπούκλας έχει από κάτω της περισσότερο βάρος από ό,τι η άκρη της, η οποία δεν έχει καθόλου. Για τον λόγο αυτόν αν το βάρος μιας τρίχας είναι υπερβολικά μεγάλο σε σχέση με τη φυσική «σγουράδα» της η μπούκλα θα πέσει και θα γίνει ίσια ή ελικοειδής ανάλογα με το μήκος και τη σκληρότητα των μαλλιών.Το μοντέλο θεωρείται ότι θα ανοίξει νέους δρόμους στα καρτούν - περιμένετε σύντομα να δείτε σγουρομάλληδες και σγουρομάλλες ήρωες και ηρωίδες να εμφανίζονται στις οθόνες σας, αν και ο κ. Ρέις θεωρεί ότι αρκετά ζητήματα παραμένουν ανοιχτά. «Η δουλειά μας δεν ασχολείται με τις συγκρούσεις όλων των τριχών επάνω σε ένα κεφάλι, κάτι το οποίο είναι πολύ σημαντικό για να μπορέσουν οι σχεδιαστές των κινουμένων σχεδίων να ελέγξουν μια κόμμωση» λέει. «Χαρακτηρίζει όμως όλους τους διαφορετικούς βαθμούς κατσαρώματος μιας τρίχας και περιγράφει μαθηματικά πώς οι ιδιότητες μιας μπούκλας αλλάζουν κατά μήκος του τόξου μιας τρίχας».
Ειδικοί των computer animations οι οποίοι δεν συμμετείχαν στη συγκεκριμένη δουλειά βρίσκουν τα αποτελέσματα ιδιαίτερα ευπρόσδεκτα. Και φυσικά υπάρχουν και οι μεγαλύτερης «κλίμακας» εφαρμογές για τους μηχανικούς: η μελέτη των αμερικανών και γάλλων επιστημόνων, παρά τον φαινομενικά «ελαφρύ» τίτλο της - «Σχήματα μιας αιωρούμενης κατσαρής τρίχας» («Shapes of a suspended curly hair») - κέρδισε το πρωτοσέλιδο της έγκριτης επιθεώρησης «Physical Review Letters» στην οποία δημοσιεύθηκε.http://www.tovima.gr