探索呼拉圈的神奇奧秘：原理、人體影響與多元應用

呼拉圈可說是歷史上最著名的玩具之一，但背後的科學原理卻鮮少受到關注。有些人是轉呼拉圈的高手，能輕鬆讓它不停旋轉；而有些人連轉一圈都很困難。那麼，當我們轉動呼拉圈時，它為何不會掉落？為何有些人更擅長轉呼拉圈呢？

現代的呼拉圈是塑膠環，我們透過擺動臀部讓它繞著身體轉動。這種轉動的動作和夏威夷的草裙舞（hula）很相似，呼拉圈（Hula - Hoop）也因此得名。紐約大學數學博士候選人奧利維亞·波梅倫克表示，有證據顯示人類早在公元前500年就有類似轉呼拉圈的活動，而且『在眾多文化中，它常以娛樂、宗教儀式或運動的形式出現』。

考慮到這項活動歷史悠久，你可能會認為它早就被研究得很透徹了，但波梅倫克告訴《生活科學》雜誌，實際上並非如此。直到最近，對轉呼拉圈的研究通常侷限於二維模型，而非完整的三維繫統，所以之前的研究無法解釋呼拉圈為何不會掉落。

在2024年發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）的一項研究中，波梅倫克和她的同事決定深入探究這個令人費解的問題。波梅倫克說：『我們實驗室常常關注這些看似簡單卻很有趣的系統。我們研究的很多問題，一經描述，人們就會反應「等等，怎麼沒人早就解決這個問題呢？」呼拉圈問題也不例外。』

為了弄清楚這個問題，波梅倫克和她的同事製作了微型機器人呼拉圈玩家。他們用3D列印技術製作了約6.7英寸（17釐米）高、各種形狀（如圓柱體、圓錐體和沙漏形）的塑膠物品，然後用馬達讓這些形狀旋轉，帶動約6英寸（15釐米）寬的呼拉圈轉動，並使用計算機軟體分析高速拍攝的運動影片。

研究人員發現，在一定的旋轉動作和身體形狀條件下，呼拉圈可以穩定地繞著這些機器人轉動。要實現穩定轉動，首先要以足夠的速度朝著身體旋轉的方向丟擲呼拉圈。之後，離心力和滾動摩擦力就能讓呼拉圈穩定轉動。不過，要讓呼拉圈長時間對抗重力不掉落則更具挑戰性。該研究的資深作者、紐約大學的應用數學家兼實驗物理學家萊夫·里斯托夫表示，理想情況下，『身體得有「臀部」，為呼拉圈提供合適的向上推力角度，同時還要有有曲線的「腰部」來固定它』。

這些發現表明，沙漏型身材的人可能天生更適合轉呼拉圈。但里斯托夫告訴《生活科學》雜誌：『我們希望沒人會因為我們的研究結果而認為自己因為身材原因就不能轉呼拉圈。我們覺得每個人都可以，也許不同身材的人需要多花點功夫，或者採用和我們實驗中不同的策略。』

里斯托夫說，這些發現不僅有助於解釋這項大家熟悉卻瞭解甚少的活動，還可能在很多領域有應用，比如『將一種運動形式轉化為另一種，或者在不抓取物體的情況下懸浮和定位物體』。例如，一個轉呼拉圈的高手只需輕輕扭動身體，就能讓呼拉圈繞著大圈旋轉，這或許能啟發新的『從振動中收集或回收能量』的方法。

波梅倫克還提到，另一個可能的應用是在不實際握住物體的情況下控制它們。比如，這項研究展示了一種相對簡單的方法，能在不抓取的情況下控制呼拉圈沿著身體的垂直位置。波梅倫克說：『如果你能以可控的方式提升或移動某個物體，卻不用傳統意義上的握持方式，這在機器人抓取領域可能會很有用，比如抓取一個或多個物品，甚至可能在工廠或建築工地高效垂直運輸物品方面發揮作用。』

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