Как работают йо-йо? | Кто изобрел йо-йо?

Кто бы мог подумать, что можно так
весело провести время с кусочком пластика на конце веревки? Если вы думаете, что
нет ничего проще йо -йо , пришло время вам попытаться разобраться
в науке, стоящей за этим! Как он продолжает вращаться так долго? Как
он может «спать» (висеть на конце веревки) — и что заставляет
его снова подниматься? Почему йо-йо кажутся такими странно устойчивыми, когда
они вращаются? В вашем йо-йо происходит много физики. Давайте
рассмотрим это поближе!

Фото: Трюки с йо-йо — физика в действии! Фото Майкла Боумена предоставлено
ВВС США и DVIDS.

Что заставляет йо-йо двигаться вверх и вниз?

Йо-йо может выглядеть как игрушка, но это также машина для преобразования энергии. Понимание того, как она постоянно преобразует энергию
из одного вида в другой, является ключом к пониманию того, как она работает. Если вы не знакомы с научными терминами, такими как
потенциальная энергия и кинетическая энергия, вам, возможно, захочется просмотреть нашу статью об энергии, прежде чем двигаться дальше.

Потенциальная и кинетическая энергия

Когда вы держите йо-йо в руке,
у него есть потенциальная энергия : оно запасает энергию,
потому что находится высоко над полом. Когда вы отпускаете его, потенциальная энергия
постепенно преобразуется в кинетическую энергию (
энергию, которой обладает нечто, потому что оно движется). Когда йо-йо вращается внизу своей
веревки, практически вся его первоначальная потенциальная энергия
преобразуется в кинетическую энергию. Когда йо-йо поднимается и спускается по своей
веревке, оно постоянно обменивается потенциальной и кинетической энергией —
как вагончик на американских горках.
Или маятник на конце веревки.

Произведение искусства: Американские горки, йо-йо и качающиеся маятники часов — три примера вещей, которые обмениваются кинетической и потенциальной энергией туда и обратно немного разными способами.

Однако йо-йо отличаются от американских горок и маятников. Американские горки начинают движение с определенным
количеством потенциальной энергии, которую они преобразуют в кинетическую энергию (по мере ускорения) или обратно в потенциальную энергию (по мере
подъема на каждый «холм»). Как только они начинают движение, они больше не получают энергии, поэтому они никогда не могут подняться выше
своей начальной точки. Маятник имеет потенциальную энергию, когда он отклоняется в сторону и зависает там, прежде чем изменить направление. Он имеет кинетическую энергию, когда он ускоряется через середину своего колебания. Если вы не помогаете ему, он будет медленно
делать все более короткие колебания по мере того, как его энергия заканчивается.

Но йо-йо отличается тем, что вам нужно дергать за веревку, чтобы заставить ее двигаться. Пока вы продолжаете дергать, вы
можете заставить ее двигаться вечно. Каждый раз, когда вы дергаете, вы вытягиваете веревку из йо-йо и заставляете его вращаться быстрее,
тем самым давая ему еще один всплеск кинетической энергии.

Два вида кинетической энергии

Фото: Веревка — это как топливный бак йо-йо: она обеспечивает йо-йо энергией, необходимой для движения.
Фото Эрика Харриса предоставлено US Air Force and Defense Imagery.

Вращающееся йо-йо на самом деле имеет два разных вида кинетической энергии: один вид, потому что оно движется вверх
и вниз по веревке, и другой вид, потому что оно вращается.
Когда вы отпускаете йо-йо из руки, оно падает на землю,
как камень, и набирает скорость, потому что падает. Но
йо-йо отличается от камня, потому что у него веревка, обмотанная вокруг
его оси. Когда оно падает, оно начинает вращаться. Вот почему йо-йо падает
гораздо медленнее камня: часть энергии, которая должна
заставлять его падать быстро, на самом деле используется, чтобы заставить его вращаться
в то же время.

Что бы йо-йо ни делало и где бы оно ни
находилось на веревке, оно обычно обладает смесью трех различных
видов энергии:

1. Потенциальная энергия — потому что она находится на определенной высоте над полом.
2. Кинетическая энергия движения — поскольку тело движется вверх или вниз относительно пола.
3. Кинетическая энергия вращения — потому что он вращается.

На практике мы имеем что-то вроде этого:

Произведение искусства: Йо-йо в вашей руке начинается только с
потенциальной энергией. Когда оно вращается и движется, поднимается и опускается, оно
имеет смесь потенциальной энергии и двух видов кинетической энергии. Вам
нужно продолжать добавлять больше энергии, дергая за веревку.

Почему йо-йо когда-нибудь останавливаются?

В идеальном мире йо-йо могло бы
подниматься и опускаться на своей веревке вечно. Но когда веревка вращается на
пластиковой оси, трение (сила трения
между двумя вещами, которые находятся в контакте и движутся мимо друг друга) расходует часть ее
энергии. Хотя вы не можете видеть, как это происходит, вращающиеся
колеса йо-йо также трутся о воздух, который их окружает. Это сопротивление воздуха
также съедает запас энергии йо-йо. Если вы
не продолжаете давать йо-йо больше энергии, качая веревку вверх и
вниз, она очень быстро замедляется и останавливается. Каждый раз, когда
вы дергаете веревку, вы дергаете йо-йо, чтобы оно продолжало вращаться. По
сути, вы перезаряжаете его энергетические батареи с каждым рывком.

Почему вращающееся йо-йо кажется странным в руке?

Движущиеся вещи любят продолжать
движение. Мы называем это явление импульсом (грубо
говоря, импульс означает «масса в движении»; вещи имеют
импульс, потому что у них есть и масса , и скорость ).
Грузовик, несущийся по автостраде, имеет больший импульс, чем автомобиль, едущий
с той же скоростью, потому что у него больше масса. Человек имеет больший импульс,
когда едет на велосипеде, чем когда идет, потому что велосипед едет
быстрее (у него более высокая скорость ).

Так же, как йо-йо имеет два вида
кинетической энергии, так и у него есть два вида импульса: линейный
импульс
(потому что он движется по прямой линии, вверх и вниз по веревке) и
угловой импульс (потому что он вращается).
Все вращающиеся
объекты имеют угловой импульс. И все, что вращается,
любит продолжать вращаться, поэтому его
угловой импульс остается прежним. Если вы попытаетесь заставить его вращаться по
-другому, он компенсирует это, изменив свое движение каким-то образом. Если
фигуристка вращается по кругу с вытянутыми руками и
внезапно сводит их, она будет вращаться гораздо быстрее, чем раньше.
Это потому, что она меняет способ распределения своей массы. Ее тело
компенсирует это, изменяя свою скорость, чтобы сохранить свой угловой
импульс постоянным.

Художественное произведение: Вращающееся йо-йо ведет себя немного как гироскоп. Вы можете найти замечательную
анимированную версию вращающегося гироскопа на Wikimedia Commons.

Угловой момент — вот почему гироскоп
ведет себя так странно. Гироскоп — это тяжелое колесо, установленное на
каркасе из трех осей, которые позволяют ему вращаться в трех
измерениях.
Как только вы заставите гироскоп вращаться, он будет решительно сопротивляться любым
попыткам заставить его вращаться в другую сторону. Поэтому, если вы попытаетесь наклонить его, он
наклонится обратно в другую сторону. Как фигурист, он пытается сохранить
свой угловой момент постоянным или, как говорят физики, сохранить свой угловой момент. Вращающееся йо-йо ведет себя точно так же, как гироскоп.
Вот почему оно кажется странно устойчивым, когда вращается на веревке. Кажется,
что у него есть встроенное упрямство изменять свое
движение. Вот почему вы можете делать с ним всевозможные изящные трюки
!

Кто изобрел йо-йо?

Никто не знает наверняка, откуда взялись йо-йо, кто придумал эту идею или даже почему у них такое необычное название,
но считается, что это древнее изобретение: в Википедии вы найдете изображение
древнегреческой вазы, датируемое
примерно 2500 годами ранее, на которой изображен мальчик, играющий с йо-йо. Удивительно думать, что эта умная маленькая игрушка
развлекала людей в древние времена точно так же, как она заставляет улыбаться нас сегодня.

А как насчет современных йо-йо? Самый ранний патент (запись об изобретении) на йо-йо был выдан Джеймсу Л. Хейвену и
Чарльзу Хеттрику из Цинциннати, штат Огайо, США, 20 ноября 1866 года. Изобретение, которое они описали, было «улучшенной
конструкцией игрушки, обычно называемой банделорой, и заключалось в формировании ее из двух металлических дисков, соединенных
вместе в своих центрах с помощью сцепления и заклепки…»

Иллюстрация: Оригинальные чертежи из патента на йо-йо, выданного Хейвену и Хеттрику в 1866 году. На рисунке слева показана относительно простая конструкция: как и в современном йо-йо, между двумя внешними дисками есть пространство, удерживаемое вместе заклепкой (зеленой), вокруг которой обматывается веревка. Иллюстрация из патента США № 59,745: Bandelore любезно предоставлена ​​Патентным и товарным знаком США.

Как «банделора» попала из Древней Греции в современные Соединенные Штаты? Копнув немного глубже, я обнаружил книгу 1868 года под названием «All the Year Round», отредактированную не кем иным, как Чарльзом Диккенсом, в которой банделор описывается как «гениальная игрушка, которая берет свое начало на Востоке. Она состоит из двух маленьких дисков, соединенных осью, к которой прикреплен шнур». Из этого неясно, относится ли восточное «происхождение», о котором говорит Диккенс, к временам до или после Древней Греции. Progressive Dictionary of the English Language 1835 года под редакцией Сэмюэля Фэллоуза сообщает нам, что банделор также называли «викториной» и что это была «игрушка, бывшая в моде в начале [19-го] века».

Современные йо-йо были разработаны на основе бандалора в 1928 году Педро Флоресом (1896–1963/4), филиппинцем, проживавшим в Санта-Барбаре. Согласно экспонату в Национальном музее йо-йо США в Чико, Калифорния, он взял название «йо-йо» из филиппинского «приходи-приходи». Компанию Флореса позже купил и расширил бизнесмен по имени Дональд Ф. Дункан (1893–1971), чья
компания Duncan Yo-Yo значительно расширила производство, продавая 18 миллионов йо-йо и волчков в год на пике популярности.

Если у вас есть еще какие-либо фрагменты исторической головоломки йо-йо, свяжитесь со мной, и я обновлю информацию.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Оси и колеса
• Энергия
• Силы и движение
• Американские горки

На других сайтах

• Канал Yo Tricks на YouTube: отличная коллекция трюков с йо-йо, проиллюстрированных понятными и простыми видеороликами.
• Как долго будет спать мой сонный йо-йо?: научное мероприятие, посвященное изучению факторов, влияющих на продолжительность сна, от Science Buddies.

Книги

Для юных читателей

• Книга Джона Кэссиди «Неловкий йо-йо», Неловкий, 1987. Базовое введение в йо-йо и их историю.

Они не о йо-йо; как и эта статья, это общее введение в энергетику и простую физику, лучше всего подходящее для детей 9–12 лет:

• «Can You Feel the Force» Ричарда Хаммонда. DK, 2015/2007. Забавный, искрометный и порой довольно забавный взгляд на физику сил. Отличный выбор для нежелающих читать. (Я был одним из консультантов и соавторов этой книги.)
• «Энергия» Криса Вудфорда.
  Нью-Йорк/Лондон: DK, 2007: Одна из моих собственных книг, это яркое и веселое введение в энергию, откуда она берется и как мы используем ее в повседневной жизни.
• «Сила и движение» Питера Лафферти. DK, 2000. Здесь много информации по истории науки, а также базовое введение в силы и движение.

Статьи

• Йо-йо: вращение, скольжение, вытягивание, автор Ретт Аллейн. Wired, 27 января 2010 г. Использование более сложных физических уравнений для понимания необычных движений йо-йо.
• Новый взгляд на старую игрушку. Автор Марк Андерсон. IEEE Spectrum, 30 октября 2009 г. Рассматривает некоторые новые технологические разработки в области дизайна йо-йо.
• Взлеты и падения соревнований Джона Бранча. The New York Times, 18 августа 2008 г. Интернету приписывают повышение планки на Всемирном конкурсе йо-йо, в котором принимают участие около 200 участников из 20 стран.
• Переосмысление йо-йо Питера Вайса, Science News, 2004, том 165. № 16, стр. 250–252. Что же такого хорошего в высокотехнологичном магниевом йо-йо стоимостью 400 долларов?