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| Realización experimental de un nadador sobre una esfera con motores accionados en un brazo de rotación libre. Crédito: Instituto Tecnológico de Georgia |
Cuando los seres humanos, los animales y las máquinas se mueven por el mundo, siempre empujan contra algo, ya sea el suelo, el aire o el agua. Hasta hace poco, los físicos creían que esto era una constante, siguiendo la ley de conservación del momento. Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia han demostrado lo contrario: cuando los cuerpos existen en espacios curvos, resulta que pueden moverse sin empujar contra algo.
Los resultados se publicaron en Proceedings of the National Academy of Sciences el 28 de julio de 2022. En el artículo, un equipo de investigadores dirigido por Zeb Rocklin, profesor adjunto de la Facultad de Física de Georgia Tech, creó un robot confinado en una superficie esférica con niveles de aislamiento sin precedentes respecto a su entorno, de modo que estos efectos inducidos por la curvatura predominaran.
"Dejamos que nuestro objeto que cambia de forma se moviera en el espacio curvo más sencillo, una esfera, para estudiar sistemáticamente el movimiento en el espacio curvo", explica Rocklin. "Descubrimos que el efecto previsto, que era tan contraintuitivo que fue descartado por algunos físicos, se producía efectivamente: a medida que el robot cambiaba de forma, avanzaba alrededor de la esfera de un modo que no podía atribuirse a las interacciones del entorno."
Crear una trayectoria curva
Los investigadores se propusieron estudiar cómo se movía un objeto en un espacio curvo. Para confinar el objeto en la esfera con una mínima interacción o intercambio de impulso con el entorno en el espacio curvo, dejaron que un conjunto de motores se desplazara por pistas curvas como masas en movimiento. A continuación, conectaron este sistema de forma integral a un eje giratorio para que los motores se movieran siempre sobre una esfera. El eje se apoyaba en cojinetes y casquillos de aire para minimizar la fricción, y la alineación del eje se ajustaba con la gravedad de la Tierra para minimizar la fuerza residual de la gravedad.
A partir de ahí, mientras el robot seguía moviéndose, la gravedad y la fricción ejercían ligeras fuerzas sobre él. Estas fuerzas se hibridaron con los efectos de la curvatura para producir una extraña dinámica con propiedades que ninguna de las dos podría inducir por sí sola. La investigación proporciona una importante demostración de cómo se pueden conseguir espacios curvos y cómo desafía fundamentalmente las leyes físicas y la intuición diseñadas para el espacio plano. Rocklin espera que las técnicas experimentales desarrolladas permitan a otros investigadores explorar estos espacios curvos.
Aplicaciones en el espacio y más allá
Aunque los efectos son pequeños, a medida que la robótica se vuelve cada vez más precisa, la comprensión de este efecto inducido por la curvatura puede tener una importancia práctica, al igual que el ligero desplazamiento de frecuencia inducido por la gravedad resultó crucial para que los sistemas GPS pudieran transmitir con precisión sus posiciones a los satélites orbitales. En última instancia, los principios de cómo puede aprovecharse la curvatura del espacio para la locomoción podrían permitir a las naves espaciales navegar por el espacio altamente curvado que rodea a un agujero negro.
"Esta investigación también está relacionada con el estudio del 'Motor Imposible'", dijo Rocklin. "Su creador afirmó que podía avanzar sin ningún tipo de propulsor. Ese motor era, en efecto, imposible, pero como el espacio-tiempo está muy ligeramente curvado, un dispositivo podría realmente avanzar sin fuerzas externas ni emitir un propulsor, un descubrimiento novedoso."
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: Instituto Tecnológico de Georgia
Vídeo: En este vídeo, mostramos demostraciones del robot implementando la marcha nula y la marcha de natación, así como ejemplos de la natación positiva y negativa en el "nadador esférico" y una comparación con el "nadador cilíndrico". Credit: doi.org/10.1073/pnas.2200924119