Неваляшка – это некая фиговина, имеющая два положения равновесия: одно устойчивого, второе неустойчивого. Ставишь его головой вверх – и как ни толкай, он возвращается в исходное положение. Ставишь на голову (ооочень-очень осторожно) – и он стоять-то стоит, но при малейшем движении готов упасть, а точнее – встать как положено, головой вверх.
Достигается этот эффект за счет шарообразных головы и, кхм, нижней части, и (главное) смещенного центра тяжести. В самом низу неваляшки находится свинцовый балласт, изо всех сил тянущий низ, что логично, вниз.
Я уверена, после прочтения этих строк у вас немедленно возник вопрос: можно ли избавиться от груза и сделать однородного неваляшку?
Первым делом интуиция подсказывает, что для уменьшения количества точек равновесия хорошо бы сделать его еще и выпуклым. И в этом случае мы получаем что-то, похожее на яйцо, у которого есть две точки неустойчивого (на остром и тупом концах) и бесконечное количество точек безразличного равновесия (при вращении вокруг продольной оси, когда оно лежит на любом боку). Это не то, что нам нужно.
Судьбоносное для мира однородных неваляшек событие случилось в 1995 году на Интернациональном конгрессе индустриальной и прикладной математики в Гамбурге, где встретились два математика — Владимир Арнольд из России и Габор Домокош из Венгрии.
Домокош и коллеги, Энди Руина и Джим Пападопулос, изучали положения равновесия плоских тел. Проведенные с моделями из проволоки и фанеры эксперименты и сопутствующие им расчеты показали, что, например, у квадрата как двухмерной фигуры есть 4 устойчивых положения равновесия (на каждой из сторон) и 4 неустойчивых. У эллипса – 2 устойчивых (когда длинная ось горизонтальна) и 2 неустойчивых (когда она вертикальна). А результатом исследований стала статья, доказывающая, что не существует двумерных объектов, имеющих только одно положение устойчивого и одно – неустойчивого равновесия. Как известно, 2+2=4, итого – у любого плоского тела есть хотя бы 4 положения равновесия.
Владимир Арнольд же на конференции рассказывал разных задачах по дифференциальной геометрии, оптике и механике, в решении которых используется теорема Якоби, связанная с понятием устойчивости системы.
Удивительным образом каждая из задач имела отношение к числу 4. Это навело Домокоша на мысль о том, что это стоит обсудить подробнее. Разговор с Арнольдом коснулся и трехмерной версии задачи определения количества положений равновесия тел, в частности – срезанного цилиндра, имеющего всего одно положение устойчивого равновесия, и при этом 3 – неустойчивого. Арнольд предположил, что, раз существуют трехмерные тела с количеством положений устойчивого равновесия меньше 2, то могут существовать и с аналогичным количеством положений неустойчивого. И предложил Домокошу найти такую форму. Поиск занял десять лет.
Началось всё с поиска нужной формы в природе. Проводя отпуск на Родосе, Домокош с женой исследовали форму камней на пляже. В течение недели они собрали и изучили более двух тысяч камней, для каждого записывая в таблицу число положений устойчивого и неустойчивого равновесия. (Вот это прямо эталон безудержного математического веселья в отпуске, дайте два!). Подходящая форма не была обнаружена.
Тем не менее, определенный результат был. Выяснилось, что естественная абразия уменьшает количество положений равновесия у камня. Но, достигнув двух положений устойчивого, и двух неустойчивого при форме близкой к эллипсоиду, этот процесс прекращается.
Дальнейшие эксперименты Домокоша и его коллеги Петера Варконьи с формой исходили из интуитивного предположения: необходимо взять шар и изменять его форму наподобие яйца, при этом отслеживая выпуклость и положение центра масс.
Важность выпуклости тела иллюстрируется легендой о Колумбовом яйце: на званом ужине Колумбу сказали, что открыть Америку мог любой. В ответ он предложил поставить яйцо вертикально на стол. После многих безуспешных попыток гостей сделать это, Колумб примял яйцо с одной стороны и без труда поставил его на переставший быть выпуклым конец.Какой вывод из этой истории сделает математик? Отклонения формы объекта от выпуклой могут привести к возникновению новых положений равновесия. А этого нужно было избегать.Положение центра масс – это основа состояния равновесия. Тут очевидны примеры неваляшки (центр масс искусственно сдвинут вниз за счет использования груза) и яйца (положение центра масс обеспечивает бесконечное количество точек безразличного равновесия, когда яйцо лежит на боку).
Итогом исследований стало доказательство Домокошем и Варконьи в 2006 году существования моно-моностатических тел (однородных неваляшек) и само такое тело, названное в честь круглого мясного пирожка – гёмбёц (в венгерском языке ударение падает на первый слог).
Гёмбёц настолько чувствителен к малейшим искажениям и изменениям формы, что даже первый его прототип вышел комом. Представитель компании, у которой был заказан первый экземпляр, на вопрос Домокоша, получилось ли сделать нужное тело, с гордостью заявил: «Мы сделали даже лучше — наша форма имеет 16 положений устойчивого равновесия!».
Более того, даже при сверхточном изготовлении незначительные повреждения и неровности самого гёмбёца и поверхности, на которой он расположен, могут приводить к нарушению равновесия. Высочайшие требования к точности делают гёмбёц исключительно искусственным телом, не встречающимся в природе. Однако там есть и кое-что похожее.
Посмотрите на черепах и на то, что происходит, если перевернуть их на спину. Панцирь некоторых видов удивительно похож формой на гёмбёц, что помогает черепахам легче переворачиваться в нормальное положение.
Автор: Карина Соловьева
