Wie Hula-Hoop-Reifen die Robotik effizienter machen
Forschende aus New York haben sich mit der Physik und Mathematik von Hula-Hoop-Reifen beschäftigt. Ihre Erkenntnisse könnten die Robotik verbessern.
Forschende haben die Mathematik hinter dem Kreisen des Hula-Hoop-Reifens erforscht und spannende Anwendungen gefunden.
Foto: PantherMedia / Rawpixel
Wer hat nicht schon einmal versucht, einen Hula-Hoop-Reifen auf den Hüften rotieren zu lassen? Doch wie viele von uns haben sich dabei gefragt, welche mathematischen und physikalischen Prinzipien dahinterstecken? „Was hält einen Hula-Hoop-Reifen gegen die Schwerkraft oben?“ und „Sind einige Körpertypen besser für Hula-Hoop geeignet als andere?“ Ein Forschungsteam aus New York hat sich genau mit diesen Fragen beschäftigt. Ihre Ergebnisse liefern nicht nur eine detaillierte Erklärung der Dynamik, sondern auch spannende Ansätze für die Robotik und industrielle Anwendungen.
Die Wissenschaft hinter dem Hula-Hoop
Bereits in der Antike nutzten die Menschen Reifen, um sich fit zu halten. Die indigene Bevölkerung erlernte damit Jagdtechniken, indem sie lange Stangen durch die rollenden Reifen warfen. Erst später ließen die Menschen den Reifen um ihre Hüften kreisen, und der Name Hula-Hoop ist erst seit 1958 bekannt, als ein amerikanischer Spielzeughersteller Kunststoffreifen mit diesem Namen auf den Markt brachte. Seitdem hat sich die Geschicklichkeitsübung weltweit verbreitet. Mit der Physik und Mathematik dahinter hat sich allerdings noch niemand beschäftigt. Bis jetzt.
Das Team um Leif Ristroph vom Courant Institute of Mathematical Sciences der New York University hat untersucht, welche Körperbewegungen und -formen einen Hula-Hoop-Reifen in der Schwebe halten. Die Forschungsergebnisse, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurden, zeigen, dass nicht jede Körperform gleichermaßen geeignet ist, den Reifen in Bewegung zu halten.
Besonders interessant: Die Form und Bewegungsweise des Körpers beeinflussen den Winkel und die Energieübertragung auf den Reifen. Dies sind zentrale Faktoren, um die Schwerkraft zu überwinden und den Reifen stabil zu halten.
Simulationen im Labor
Im Labor wurden Hula-Hoop-Bewegungen in Miniaturformat simuliert. Die Wissenschaftler verwendeten 3D-gedruckte Modelle, die unterschiedliche menschliche Körperformen nachbildeten – von Zylindern über Kegel bis hin zu Sanduhrenformen. Motoren übernahmen die Aufgabe, die charakteristischen Rotationsbewegungen nachzuahmen. Mit Hochgeschwindigkeitskameras wurden die Bewegungen der 15 cm großen Reifen aufgezeichnet und analysiert.
Die Studien ergaben, dass die Form des Körperquerschnitts – ob kreisförmig oder elliptisch – kaum Einfluss auf die Rotationsfähigkeit des Reifens hatte. Entscheidend war jedoch die Kombination aus einer geneigten Fläche an der „Hüfte“ und einer gekrümmten „Taille“. Diese Eigenschaften erleichtern es, den Reifen gegen die Schwerkraft zu drücken und stabil zu halten.
Für erfolgreiches Hula-Hoop-Tanzen ist ein Körpertyp mit den richtigen Kurven erforderlich.
Foto: NYU’s Applied Mathematics Lab
Mathematische Modellierung
Die mathematische Modellierung dieser Dynamiken liefert Formeln, die weit über das Hula-Hoop hinausgehen. „Die Physik hinter einer so beliebten Aktivität wie Hula-Hoop war bisher erstaunlich wenig erforscht“, erklärt Ristroph. Seine Erkenntnisse könnten helfen, die Bewegung und Energieeffizienz von Robotern deutlich zu verbessern.
Roboter, die in der industriellen Fertigung oder Verarbeitung eingesetzt werden, könnten von den Prinzipien der Hula-Hoop-Bewegung profitieren. Die durchdachte Kombination von Rotationen und Kräften könnte helfen, Vibrationen besser zu nutzen, Energieverluste zu minimieren und komplexe Bewegungsabläufe effizienter zu gestalten.
Was lässt sich mit den Ergebnissen anfangen?
Die Anwendung der Hula-Hoop-Physik könnte Roboter designen, die sich an die Umgebung anpassen und dynamische Bewegungen ausführen. „Unsere Forschung zeigt, dass selbst alltägliche Phänomene wie Hula-Hoop tiefgehende technische Lösungen bieten können“, so Ristroph. Die gewonnenen Erkenntnisse könnten nicht nur die Robotik, sondern auch Energiegewinnung aus Vibrationen revolutionieren.
