Bentuk diprogram untuk bergulir di sepanjang jalur menurun tertentu – Dunia Fisika

Bentuk diprogram untuk bergulir di sepanjang jalur menurun tertentu – Dunia Fisika

Stempel Waktu: 14 Agustus 2023 10

Sebuah lintasan sedang beraksi
On a roll: lintasan cetak 3D dan rute menuruni bukit yang berulang (bergerak ke kanan). (Sumber: Alam)

Para peneliti di Korea Selatan dan Swiss telah mengembangkan algoritme yang membuat objek 3D yang mengikuti jalur berkelok-kelok tertentu saat meluncur menuruni bukit. Mereka juga telah menunjukkan bahwa teknik mereka dapat digunakan untuk mengembangkan protokol kontrol baru untuk sistem yang tampaknya tidak berhubungan termasuk putaran kuantum dan polarisasi cahaya.

Benda-benda yang menggelinding telah memainkan peran kunci dalam teknologi setidaknya sejak munculnya roda. Sebagian besar benda bergulir yang digunakan manusia berbentuk silinder, bulat, atau kerucut. Dua bentuk pertama berguna karena cenderung menggelinding dalam garis lurus, sedangkan bentuk kerucut digunakan saat diperlukan lintasan melingkar.

Namun, ada juga objek yang akan menggelinding selamanya sambil mengikuti jalur yang berulang dan berkelok-kelok – contoh sederhananya adalah jalur sinusoidal. Objek-objek ini termasuk oloid, sphericon, polycon, platonicons, dan roller dua lingkaran. Beberapa di antaranya telah digunakan dalam robotika dan juga untuk mencampur bahan. Di luar aplikasi praktis ini, penemuan dan karakterisasi bentuk yang mengambil jalur berkelok-kelok merupakan masalah matematika yang menarik.

Mencari lintasan

Sekarang, Bartosz Grzybowski di Institute for Basic Science di Ulsan dan rekannya telah berusaha untuk memecahkan masalah matematika yang menggeneralisasikan pencarian objek semacam itu – yang mereka juluki “trajectoids”. Mereka juga berhasil membuat beberapa lintasan ini menggunakan pencetakan 3D.

Menulis dalam jurnal Alam, tim menyatakan masalahnya sebagai "diberi lintasan periodik tak terbatas, temukan bentuk yang akan melacak lintasan ini saat meluncur menuruni lereng".

Tim menunjukkan bahwa potensi lintasan dapat digambarkan dengan latihan virtual yang melibatkan menggambar lintasan periodik pada permukaan datar. Kemudian, sebuah bola digulingkan di atas permukaan sedemikian rupa sehingga garis dipindahkan ke permukaan bola. Jika awal lintasan cocok dengan ujung lintasan – sehingga menciptakan putaran terus menerus pada permukaan bola – maka seharusnya dimungkinkan untuk membuat lintasan yang mengikuti rute tersebut. Tim juga menemukan bahwa ketika lintasan tidak cocok, mereka dapat di-tweak untuk melakukannya.

Dua periode atau lebih

Meskipun teknik ini dapat digunakan untuk mengidentifikasi jalur trajectoid yang sesuai, tim menemukan bahwa menyesuaikan satu periode lintasan ke bola sebenarnya adalah hal yang sulit dilakukan. Sebaliknya, mereka menemukan bahwa jauh lebih mudah untuk memasukkan dua (atau lebih) periode lintasan ke dalam bola. Memang, tim menduga bahwa teknik ini harus bekerja untuk hampir semua kemungkinan jalur berulang – menunjukkan bahwa jumlah jalur yang tidak dapat dipetakan setelah dua atau lebih rotasi sangat jarang.

Setelah mereka menyempurnakan metode mereka untuk mengidentifikasi jalur trajectoid, mereka menyusun skema untuk membuat trajectoid yang sesuai. Dalam teknik mereka, lintasan ideal dimulai sebagai inti bola padat dengan kulit terluar konsentris yang memiliki kerapatan nol. Lintasan yang diinginkan dibagi menjadi serangkaian segmen linier. Agar objek menggelinding di sepanjang segmen linier, bagian kulit terluar "dicukur habis" untuk membuat wilayah kecil yang memiliki kelengkungan silinder dan oleh karena itu hanya akan menggelinding sepanjang arah segmen garis (dengan asumsi tidak ada selip).

Proses ini diulangi untuk semua segmen linier yang berurutan. Ini menciptakan lintasan yang merupakan kombinasi dari permukaan silinder, yang semuanya memiliki sumbu rotasi yang sejajar dengan bidang gelinding dan melalui pusat massa benda.

Kerang cetak 3D

Tim kemudian membuat lintasan seperti itu menggunakan pencetakan 3D untuk membuat cangkang luar dengan kepadatan rendah. Ini dicetak di belahan yang kemudian direkatkan ke bola baja berat dengan kerapatan yang jauh lebih tinggi. Lintasan kemudian digulung menuruni tanjakan yang ditutup dengan amplas untuk mencegah selip.

Tim menguji sejumlah lintasan yang berbeda dan menemukan bahwa banyak dari mereka melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam mengikuti rute menurun yang diharapkan. Namun, yang lain terhenti - sementara beberapa lintasan berjuang untuk melewati belokan tajam di jalur yang diprediksi.

Proses menerjemahkan lintasan berkelok-kelok berulang ke sebuah bola mirip dengan bagaimana evolusi beberapa sistem kuantum dijelaskan dalam istilah lintasan suatu titik pada "bola Bloch". Contohnya termasuk deskripsi tentang bagaimana spin nuklir dimanipulasi dalam pengukuran resonansi magnetik nuklir (NMR), atau bagaimana spin elektronik dimanipulasi dalam bit kuantum (qubit).

Dalam makalah mereka, Grzybowski dan rekan mengatakan bahwa penelitian menunjukkan bahwa ada banyak cara putaran seperti itu dapat dimanipulasi (dengan menerapkan medan magnet berturut-turut, misalnya) sehingga mengikuti lintasan tertentu sebelum kembali ke keadaan semula. Ini bisa sangat berguna untuk membuat urutan baru untuk melakukan NMR atau untuk memproses informasi kuantum. Polarisasi cahaya juga dapat digambarkan dalam istilah titik pada bola sehingga penelitian dapat mengarah pada pengembangan sistem optik yang dirancang untuk tidak mengubah polarisasi cahaya saat diproses.

Stempel Waktu:

Lebih dari Dunia Fisika