К созданию прототипа сферического китайского волчка

Аннотация

Китайский волчок отличается от других вращающихся объектов весьма причудливым и неожиданным поведением. Волчки, имеющиеся в продаже, состоят из усеченного шара и стержня. Если закрутить китайский волчок на его закругленной части, он опрокидывается и продолжает вращаться, стоя на стержне. Для описания такого поведения обычно используется упрощенная математическая модель, в которой волчок рассматривается как сфера с распределением массы, обладающим аксиальной симметрией при отсутствии сферической симметрии, которая вращается на гладкой поверхности с малым трением скольжения. Можно выделить три основных типа динамического поведения: с опрокидыванием, без опрокидывания и наклонное, при котором волчок поднимается, но не переходит в вертикальное положение, а остается в некотором промежуточном состоянии. Далее можно выделить подклассы в зависимости от устойчивости относительного равновесия. Нас интересует, в какой степени можно доверять предсказаниям теоретической модели. Мы применили методы трехмерной печати и быстрого прототипирования для создания модели «три-в-одном», которая содержала бы в себе три главные характеристики, определяющие три основные группы в упомянутой выше классификации сферических волчков. Мы предлагаем три варианта. Такой «волчок» может использоваться для проверки качественной и количественной справедливости математических моделей.

Полнотекстовая версия

M.C. Ciocci, B. Malengier, B. Langerock, B. Grimonprez. Towards a Prototype of a Spherical Tippe Top. Rus. J. Nonlin. Dyn., 2012, V.8, №2, p. 391-425

Abstract

Among spinning objects, the tippe top exhibits one of the most bizarre and counterintuitive behaviours. The commercially available tippe tops basically consist of a section of a sphere with a rod. After spinning on its rounded body, the top flips over and continues spinning on the stem. The commonly used simplified mathematical model for the tippe top is a sphere whose mass distribution is axially but not spherically symmetric, spinning on a flat surface subject to a small friction force that is due to sliding. Three main different dynamical behaviours are distinguished: tipping, nontipping, hanging, that is, the top rises but converges to an intermediate state instead of rising all the way to the vertical state. Subclasses according to the stability of relative equilibria can further be distinguished. Our concern is the degree of confidence in the mathematical model predictions, we applied 3D printing and rapid prototyping to manufacture a “3-in-1 toy” that could catch the three main characteristics defining the three main groups in the classification of spherical tippe tops as mentioned above. We propose three designs. This “toy” is suitable to validate the mathematical model qualitatively and quantitatively.