Hüftschwung gegen die Schwerkraft: Mathematiker haben herausgefunden, dass es beim Balancieren eines Hula-Hoop-Reifens auf die Körperform ankommt. Demnach bestimmen Winkel und Krümmung von Hüfte und Taille darüber, wie leicht oder schwer uns Hula-Hoop fällt. Die Erkenntnisse könnten künftig Ingenieure nutzen, um präzisere Roboter zu bauen.
Artisten können auf beeindruckende Weise gleich mehrere Hula-Hoops um ihre Körpermitte schwingen, ohne dass einer der Reifen herunterfällt. Auch einige Hobby-Sportler behalten durch koordiniertes Kreisen einen Hula-Hoop problemlos auf Taillenhöhe. Anderen Menschen hingegen gelingt dies nur mit Mühe oder gar nicht. Aber warum ist das so? Was hält einen Hula-Hoop-Reifen eigentlich gegen die Schwerkraft aufrecht?
Ein Team von Forschenden hat nun erstmals die Physik und Mathematik des Hula-Hoops untersucht. „Uns hat besonders interessiert, welche Körperbewegungen und -formen den Reifen erfolgreich hochhalten können“, erklärt Seniorautor Leif Ristroph von der New York University. Oder anders ausgedrückt: Sind möglicherweise einige Körpertypen besser für Hula-Hoop-Reifen geeignet als andere?
Hula-Hoop im Miniformat
Um diese Frage zu beantworten, hat ein Team um Ristroph und seinen Kollegen Xintong Zhu das Hula-Hoop-Schwingen im Miniaturformat nachgebaut. Mit einem 3D-Drucker stellten die Forschenden geometrische Körper mit unterschiedlicher Form her, darunter einen Zylinder, einen Kegel und eine Sanduhrform. Die verschiedenen Figuren waren etwa ein Zehntel so groß wie ein Mensch.
In einer Reihe von Experimenten setzten die Forschenden diese Figuren dann mit einem Motor in Bewegung. Die Drehbewegungen des Roboter-Hula-Hoopers ahmten dabei die Bewegungen nach, die wir beim Hula-Hoop machen. Auf die kreisenden Körper warfen die Forschenden dann dünne Plastikreifen mit einem Durchmesser von etwa 15 Zentimetern. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera filmten sie, wie sich der Reifen auf den Körperformen verhielt.
Neigung der Hüfte entscheidend
Die Auswertung der Videos ergab, dass die genaue Form der Drehbewegung beim Hula-Hoop keine Rolle spielte. Auch war es egal, ob der Körper im Querschnitt einen Kreis oder eine Ellipse bildete. „In allen Fällen ließen sich gute Drehbewegungen des Reifens um den Körper ohne besonderen Aufwand in Gang setzen“, berichtet Ristroph.
Dabei synchronisierte sich die Reifenbewegung mit der Körperbewegung, sofern letztere ausreichend schnell war und die Positionen zusammenpassten. „Die beste Strategie besteht darin, mit dem Reifen und dem Körpermittelpunkt auf die gleiche Seite zu starten und mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in die gleiche Richtung wie die Kreisbewegung zu starten“, so das Team.
Um einen Reifen über einen längeren Zeitraum gegen die Schwerkraft in der Luft zu halten, war jedoch ein spezieller „Körpertyp“ erforderlich: Der Körper brauchte eine schräge Oberfläche als „Hüfte“, um den richtigen Winkel zum Hochschieben des Reifens zu bieten, sowie eine kurvige oder konkave Sanduhrform als „Taille“, um den Reifen an Ort und Stelle zu halten.
Taille sorgt für Gleichgewicht
Bei solchen geometrischen Formen sorgen die auftretenden Kontakt- und Fliehkräfte für ein Gleichgewicht zwischen Auf- und Abwärtsbewegung und erleichtern das Reifenschwingen, erklärt das Team. Bei Zylindern oder Kegeln ohne Taille dominiert hingegen die Schwerkraft oder die Aufwärtsbewegung, wie die Tests zeigten.
Das erklärt auch, warum sich manche Menschen beim Hula-Hoop schwerer tun als andere. „Menschen gibt es in vielen verschiedenen Körpertypen – einige haben diese Neigungs- und Krümmungsmerkmale in ihren Hüften und Taillen, andere nicht“, so Ristroph. „Unsere Ergebnisse könnten erklären, warum manche Menschen von Natur aus Hooper sind und andere besonders hart arbeiten müssen.“ Wessen Körper nicht optimal gebaut ist, muss demnach mehr Kraft aufwenden, um der Schwerkraft entgegenzuwirken.
Mathematische Formeln für präzisere Roboter
Um die Bewegungen des Reifens zu beschreiben, führten die Forschenden auch Modellierungen dieser Dynamik durch und leiteten daraus mathematische Formeln ab. Diese Berechnungen könnten Ingenieure künftig verwenden, um Roboter mit präziseren Eigenschaften zu entwickeln.
„Die Mathematik und Physik hinter dem Hula-Hoop sind sehr subtil“, so Ristroph. „Das gewonnene Wissen könnte nützlich sein, um technische Innovationen zu inspirieren, Energie aus Vibrationen zu gewinnen und die Bewegungen von Robotern zu verbessern, die in der industriellen Verarbeitung und Fertigung eingesetzt werden.“ (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2025; doi: 10.1073/pnas.2411588121)
Quelle: New York University (NYU)
