Резину раскатали по Галилею

Каждый образованный человек со школьных лет знает о том, что знаменитый итальянский ученый Галилео Галилей заложил основы экспериментальной физики, изучая падающие и скатывающиеся по наклонной поверхности тела. Так, Галилей скатывал металлические шарики по деревянной наклонной поверхности и, используя водяные часы, измерял время, за которое шарики проходили фиксированное расстояние. Тот факт, что с увеличением времени скатывания тела проходят расстояние в четыре раза больше, позволил Галилею опровергнуть мнение Аристотеля о том, что скорость шаров должна быть постоянной, и продемонстрировать наличие ускорения свободного падения на Земле.

С тех пор физики проводили не один эксперимент, используя твердые шарики и гибкие наклонные поверхности. Но идея прокатывать гибкие предметы по твердым поверхностям, видимо, пришла в голову только профессорам Массачусетского технологического института (МТИ) Педро Рейсу и Джону Бушу, студенту МТИ Паскалю Рау и приглашенному в МТИ профессору из Политехнической школы, расположенной в предместье Парижа, Кристофу Клане.

Изучая движение полых цилиндров, сделанных из разных видов резины, ученые смогли вывести множество неизвестных ранее уравнений движения.

Результаты работы опубликованы в Physical Review Letters.

Такие гибкие ленты в спокойном состоянии прогибаются под силой тяжести. При движении можно было бы ожидать, что они за счет центробежных сил будут становиться более круглыми. Но на деле происходит наоборот.

Чем быстрее движется резиновый цилиндр, тем больше он теряет свою форму и становится похож, как пишут авторы, на «двухосный арахис».

При еще более высоких скоростях средняя часть провисает настолько, что соприкасается с нижней частью ленты, что вызывает трение и заставляет ленту резко смещаться назад. Как пишут авторы статьи, это является результатом «деликатной связи между качением, изгибом и растяжением».

«Одна из наших целей заключается в том, чтобы понять роль гибкости в передвижении», – заявил Джон Буш, один из авторов работы.

Объясняя, почему почти четыре столетия ученые не могли применить методы Галилея к резиновым цилиндрам, один из авторов статьи Педро Рейс говорит, что, несмотря на кажущуюся простоту поведения гибких структур, они часто ведут себя нелинейно.

Это означает, что они требуют для своего описания более сложных математических уравнений, чем простые твердые тела, и их анализ не представлялся возможным до появления компьютеров.

Кроме того, только недавно, с развитием технологий, появилась возможность делать объект любой формы из гибких полимеров с любой степенью упругости.

Хотя это и фундаментальное исследование, Педро Рейс в своих комментариях для пресс-релиза МТИ предположил, что данный анализ может оказаться полезным для применения в таких различных областях, как прогнозирование движения микроскопических цилиндров, так называемых углеродных нанотрубок, и поведение буровых корпусов в скважинах. Еще одно возможное применение – исследование движения клеток крови через вены и артерии, поскольку красные кровяные клетки, как известно, в сечении также имеют форму арахиса, что к настоящему моменту не получило разумного объяснения.

Ученые отмечают, что им очень важно осознавать, что их эксперименты, по сути, являются классическими опытами Галилея, которые получили новое направление.

Аутизм за пять минут

Одной из центральных тем нового номера журнала Science являются новые результаты, полученные в области исследования человеческого мозга. Авторами соответствующей статьи являются ученые из Школы медицины в Сент-Луисе при Вашингтонском университете, которые провели комплексное исследование результатов магнитно-резонансной томографии 228 человек в возрасте от 7 до 30 лет.

Эта процедура занимает всего пять минут, но получаемые за это время данные могут оказаться бесценными применительно к каждому человеку. По результатам томографирования участников исследования ученые проанализировали около 13 000 функциональных связей в головном мозгу человека и составили единую кривую нормального функционального развития мозга человека.

Сравнивая результаты МРТ с этой шкалой, можно выявлять пациентов с расстройствами мозга.

«Вся прелесть такого подхода заключается в том, что он позволяет вам заранее, еще в детском возрасте, определить у детей признаки таких расстройств, как аутизм или синдром дефицита внимания», — говорит один из авторов работы, Брэдли Шлэггер. Ученый сравнивает данную методику с работой педиатров, которые, изучая у детей график изменения их роста, веса и других параметров, сравнивают их со стандартизированными кривыми и в случае слишком сильного отклонения начинают тщательные исследования с целью выяснить его причину.

Шлэггер привел также еще один пример из врачебной практики, объясняющий начало подобных исследований. Дело в том, что у детей с очевидными глубокими психическими расстройствами существующие методы анализа МРТ могут дать результат, что у ребенка «не отмечается отклонений от нормы». «И это верно со структурной точки зрения, для отдельных частей головного мозга. МРТ же позволяет рассмотреть и функциональные связи разных отделов мозга», — говорит Шлэггер.

Для определения эффективности функциональных связей учеными был использован так называемый метод опорных векторов — метод классификации данных, который часто используется в различных науках, в частности в экономике.

«Это способ, который математики разработали для предсказания чего-то с высокой специфичностью и чувствительностью данных, когда у вас есть огромное количество измерений, а не один очень хороший результат наблюдений, — объясняет Нико Дозенбах, ведущий автор статьи в Science. — Каждое из этих наблюдений не скажет вам много, но если их сложить вместе и использовать правильный математический метод, чтобы «перелопатить» и реструктурировать их, вы получите результаты, обладающие хорошей предсказательной силой».

Авторы работы полагают, что их метод найдет широкое применение и позволит врачам более эффективно следить за психическим развитием детей, ведь теперь у них появится возможность заранее поставить диагноз и принять меры.

«МРТ стоит дорого, поэтому она не применяется для всех. Но многим детям пятиминутное сканирование позволит избежать громадных расходов на лечение в будущем», — утверждает Брэдли Шлэггер.