Физика макарон

«Это кто сказал, что макароны нельзя сломать пополам? Я вот только вчера пасту карбонара делал — ломались как обычно!»

Ну, во-первых, повара советуют варить спагетти целиком, а во-вторых, попробуйте-ка сейчас взять одну макаронину и согнуть ее так, чтобы она сломалась. Бьёмся об заклад, обломков получилось три, а то и больше.

Традиционные итальянские макароны кажутся довольно простым объектом для физических исследований — что может быть интересного в тонком цилиндре с ограниченной гибкостью? Но тогда почему, вопреки всем ожиданиям, они не ломаются на две части?

Учёные долго разбирались и наконец выяснили, в чём тут дело. Более того, они сконструировали машину, которая ломает макароны точно пополам. Это было непросто.

Первым проблему спагетти поставил не кто-нибудь, а Ричард Фейнман — лауреат Нобелевской премии по физике, один из создателей квантовой электродинамики. Он сам много раз проделал этот нехитрый опыт: брал макаронину за два конца и сгибал, пока не сломается. Обломков было три, четыре, пять — но никак не два! Для Фейнмана это осталось загадкой.

Приблизиться к разгадке удалось лишь в 2005 году. Тогда французские физики создали компьютерную модель спагетти и описали все силы, которые действуют на макароны при возникновении в них внутреннего напряжения. В 2006 году авторы модели были удостоены Шнобелевской премии — награды, вручаемой за исследования, которые «сначала заставляют смеяться, а затем задуматься».

Учёные обнаружили, что при сгибании макаронины равномерно с обоих концов она ломается в месте наибольшей концентрации напряжений — прямо посередине. Но в результате этого возникает волна деформации и вибрации, которая изгибает следующий участок, ломая и его тоже. Вот почему трубочка распадается не на две части, а на три или даже больше. При этом длина макарон значения не имеет.

И что, скажете вы, нет никакого способа обойти препятствие и разломить-таки спагетти надвое? Французские учёные больше не публиковали работ по этой теме — она продолжала будоражить умы и ждала своего исследователя.

Наконец в 2015 году за дело взялись студенты Массачусетского технологического института со своим преподавателем. Они показали, что при сильном скручивании обоих концов макаронину всё же можно разломить не просто надвое, но даже пополам. Впрочем, физического опыта, проведённого вручную, было недостаточно — какой уважающий себя учёный будет полагаться на собственные руки, которые не могут ни определить создаваемое ими усилие, ни зарегистрировать вибрации спагетти?

Американские студенты сделали машину, которая ломала спагетти в строго контролируемых условиях. Прибор скручивал концы трубочки под нужными углами и сводил их, чтобы сломать макаронину. Каждый опыт учёные записывали на камеру с высокой скоростью съёмки, а затем составили математическую модель, описывающую деформации, возникающие при скручивании ломающихся спагетти.

Хотите ещё пикантных подробностей? Читайте исследование: Ronald H. Heisser et al. Controlling fracture cascades through twisting and quenching. PNAS, Aug 2018, 115 (35).

Итак, физики доказали, что спагетти можно сломать пополам, если скрутить их концы почти на 360° вдоль параллельной стержню оси. Но было непонятно, почему скручивание так меняет поведение макарон.

Опираясь на теорию деформационной волны, предложенную ранее французскими коллегами, американцы провели компьютерный анализ, который показал, что скручивание частично гасит возникающую после надлома спагетти волну и создающихся напряжений становится недостаточно для дальнейшего разрушения трубочки. Кроме того, после разрыва скрученные половины спагетти «разматываются» до первоначального состояния, в результате чего высвобождается часть энергии, которая в противном случае пошла бы на создание колебаний и вибраций в стержне.

Моделирование показало, что макароны достаточно скрутить всего на 270°, и можно будет сломать их пополам!

Может показаться, что исследование это шуточное и начальство этих физиков не обрадуется, если узнает, что те ставили эксперимент в рабочее время. Однако у этой работы есть чёткое прикладное значение: она способствует пониманию процессов деформации и разрушения стержневых структур и волоконных материалов.

Вокруг нас много объектов, имеющих форму стержня. Это не только нанотрубки, которые находят сейчас всё более широкое применение, но и различные твёрдые материалы, состоящие из волокон, и даже клеточные структуры — микротрубочки. Исследование деформаций в этих материалах поможет специалистам использовать их более эффективно и создавать на их основе новые структуры с необходимыми свойствами.

Фото: iStock, pnas.org

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 46 2021 г.