To nie tylko zabawa. Kruszenie się nitek spaghetti nie różni się tak bardzo od pękania elementów konstrukcyjnych - zbrojeń w budynkach, belek w mostach etc. Pęknięcia "typu spaghetti" obserwowali w swojej pracy inżynierowie budownictwa, jak również fizycy, hodujący bardzo długie i wąskie kryształy, które też lubiły się w wielu miejscach kruszyć.
Tak więc zagadka łamiącego się makaronu - dlaczego nie pęka w połowie, jak dajmy na to zwykła zapałka, lecz kruszy się na więcej niż dwie części (najczęściej trzy) - ma całkiem praktyczne znaczenie.
Problem ma już też swoje lata. Nad łamaniem spaghetti łamał sobie głowę 40 lat temu słynny noblista prof. Richard Feynman. Danny Hills, amerykański wynalazca i ekspert komputerowy, wspomina w jednej z książek, że siedział z Feynmanem w kuchni i razem łamali nitki spaghetti, próbując wyjaśnić, dlaczego spaghetti nie pęka po bożemu w połowie. Nic nie wymyślili, jedynym efektem eksperymentu pozostała zasłana kawałkami pokruszonego makaronu podłoga w kuchni.
Dopiero w 2005 roku dwóch fizyków francuskich - Basile Audoly i Sebastian Neukirch z Uniwersytetu Piotra i Marii Curie w Paryżu - opublikowali w "Physical Review Letters" przekonująca teorię w tej kwestii. Rok później dostali za nią nagrodę Ig-Nobla (żartobliwą wersję prawdziwych Nobli, przyznawaną na Uniwersytecie Harvarda).
Francuzi odkryli, że wygięcie, naprężenie, a potem złamanie spaghetti wywołuje na odłamanych kawałkach makaronu bardzo szybkie oscylacje, które zwiększają naprężenie i powodują kolejne pęknięcia. Te mogą wywołać kolejne wibracje i pęknięcia, dopóki nie rozładuje się nagromadzona w makaronie energia sprężystości. Wszystko to dzieje się w czasie milisekund.
Fizycy sfilmowali proces łamania nitek suchego spaghetti ultraszybką kamerą (na dolnym kadrze kolorem jest zaznaczona wartość naprężenia):
Niedawno kilku studentów MIT ponownie przyjrzało się temu problemowi. W ramach zaliczenia wykładu z nieliniowej dynamiki postanowili znaleźć sposób na kontrolowane łamanie spaghetti.
W szczególności postawili przed sobą ambitne zadanie połamania spaghetti tak, aby pęknięcie nastąpiło tylko w jednym miejscu, a makaron podzielił się jedynie na dwa fragmenty.
Po wielu "ręcznych" próbach odkryli, że kluczem może być mocne skręcenie nitki makaronu. Jeden ze studentów - Ronald Heisser - zbudował specjalną maszynę, dzięki której mogli przeprowadzić ścisły eksperyment. Po unieruchomieniu końców makaronu w specjalnych zaciskach, można było skręcić całą nitkę o dowolny kąt - od 0 do 360 st. A potem wygiąć i złamać, zbliżając końce do siebie. Wszystko filmowali superszybką kamerą.
W tej maszynie młodzi badacze "skręcili" i połamali setki nitek makaronu (ich wykładowca mówi, że przez długi czas nie tylko nie tkną, ale nawet nie spojrzą na spaghetti).
Wnioski ze swojego eksperymentu publikują w tym tygodniu w "Proceedings of the National Academy of Sciences". Wynika z nich, że jeśli najpierw bardzo mocno skręcimy nitkę spaghetti (o więcej niż 270 st.), a potem ją wygniemy, to wtedy pęknie tylko w jednym miejscu - mniej więcej w połowie.
W swojej pracy badacze także wyjaśniają, dlaczego po skręceniu spaghetti nie ulega kaskadowemu kruszeniu na wiele kawałków. Otóż skręcenie powoduje, że ułamane końce doznają słabszych oscylacji. A poza tym, gdy tylko po pierwszym pęknięciu uzyskają swobodę ruchu - to najpierw pozbywają się naprężenia związanego ze skręceniem, tj. rozkręcają się. Ten proces następuje dużo szybciej niż poprzeczne oscylacje spowodowane wygięciem i w znacznym stopniu rozprasza skumulowaną w nici makaronu energię sprężystości. To osłabia wewnętrzne naprężenia i dlatego nie dochodzi do kolejnych pęknięć.
A tak to wygląda na filmie w zwolnionym tempie:
Jeśli więc w najbliższym czasie będziecie jedli spaghetti na obiad lub kolację, pomyślcie z sympatią o fizykach i matematykach. Dzięki ich eksperymentom może uda się uniknąć przynajmniej niektórych pęknięć i katastrof budowlanych.
PRZECZYTAJ TEŻ: Co by było, gdyby Ziemia była zrobiona z borówek? Ktoś zapytał na Twitterze, fizyk odpowiedział
Dzisiejsza gazeta (e-wydanie)
Wszystkie komentarze