Физики научились ломать спагетти пополам

Физики из Франции и США предложили два подхода, позволяющих разломить спагетти ровно на две части. Еще Ричард Фейнман заметил, что при изгибе сухих спагетти они практически никогда не ломаются пополам — из-за распространения по сухой макаронине каскадной волны разгибания количество кусков всегда три или больше. Оказалось, что разломить спагетти именно на два куска можно, если предварительно скрутить ее вокруг своей оси. Также можно просто сближать два конца макаронины с достаточно небольшой скоростью, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Известно, что если взять из пачки спагетти одну сухую макаронину и попробовать ее сломать, медленно сгибая, то практически никогда спагетти не сломается пополам — разлом почти одновременно происходит в нескольких местах, в результате чего два конца остаются в руках, а несколько других, вращаясь, улетают куда-то в сторону. Как правило, число кусков, на которые ломается макаронина, варьируется от трех до десяти. Внимание к этой задаче привлек еще Ричард Фейнман более полувека лет назад, а объяснить этот эффект удалось в 2005 году французским физикам Базилю Одоли (Basile Audoly) и Себастиану Нойкиршу (Sébastien Neukirch), за что на следующий год они получили Шнобелевскую премию.

Оказалось, что это необычное явление связано с распространением по макаронине волны распрямления, которая запускается сразу же после первого надлома. Несмотря на то, что время между несколькими разломами очень мало, происходят они все же не одновременно: первый из них образуется в самом слабом месте макаронины и примерно за 10 микросекунд распространяется поперек стержня. В результате посреди макаронины образуются два свободных конца, в которых пропадает механическое напряжение, которые позволяют ей распрямится. Однако распрямление это происходит не моментально, а за счет распространения изгибной волны, которая в некоторых местах настолько сильно увеличивает кривизну макаронного стержня, что он переламывается еще раз.

Эта проблема, конечно, значительно шире единственного эксперимента про ломанию спагетти: такие же процессы могут возникать и в других системах со сходной геометрией и аналогичными физическими свойствами. При этом реализоваться этот механизм может на совершенно разных масштабах: в деревьях, костях, полимерных сетках или массиве углеродных нанотрубок. Похожим образом иногда ломается шест у легкоатлетов при неправильном подборе снаряда.

В предыдущей работе французские физики объяснили причины, из-за которых спагетти разламываются не пополам, а на большее число кусков и нашли диапазон механических характеристик, при котором такой эффект будет наблюдаться. На этот раз группа ученых из США и Франции под руководством Йорна Дункеля (Jörn Dunkel) из Массачусетского технологического университета пошла чуть дальше и предложила способ, как, имея макаронину с известными механическими свойствами, все же разломить ее именно на два куска, а не на три или десять. Для исследования ученые использовали эксперимент, в котором процесс разлома спагетти снимали на высокоскоростную камеру со скоростью записи от двух тысяч до одного миллиона кадров в секунду, а также численное моделирование с помощью решения уравнений Кирхгоффа.

Оказалось, что разломать макаронину пополам можно, если одновременно с изгибом еще и скрутить ее вокруг своей оси и потом зафиксировать в таком скрученном состоянии. Причем скручивать нужно довольно сильно: чтобы разлом произошел ровно в одном месте макаронина длиной 24 сантиметра должна быть скручена более, чем на 250 градусов. Ученые показали, что скручивание спагетти приводит к изменению внутреннего напряжения, что, в свою очередь, влияет на кривизну стержня при распространении волны распрямления и увеличивает возможное расстояние между соседними разломами. То есть фактически «волна раскручивания» распространяется вдоль спагетти быстрее, чем волна распрямления, что позволяет быстрее избавиться от лишней энергии. Предположение об изменении распределения напряжений в стержне авторы работы подтвердили результатами численного моделирования.

Кроме скручивания физики предложили еще один способ разломить макаронину пополам — изменить скорость, с которой происходит сближение концов при изгибе. Оказалось, что при медленном сближении (порядка 5 миллиметров в секунду) происходит разлом в единственном месте. При увеличении скорости растет и количество точек разлома, увеличиваясь в среднем до 4 при скорости около 300 миллиметров в секунду. Авторы отмечают, что эта скорость изгиба довольно слабо влияет на кривизну макаронины, при которой происходит первый надлом, но из-за увеличения линейной плотности энергии приводит к резкому уменьшению критического размера элементов, на которые разламывается спагетти, и соответственно, приводит к увеличению их числа.

По словам авторов исследования, полученные ими результаты интересны в первую очередь с точки зрения разработки подходов для управления геометрией и механическими характеристиками одномерных объектов как естественного происхождения, так и полученных человеком. При этом оба подхода — с торсионным и кинетическим управлением — могут оказаться полезными для практических разработок.

Физики нередко пытаются найти оптимальные способы для известных наглядных задач или популярных развлечений. Например, недавно ученые определили оптимальное количество воды в пластиковой бутылке и скорость ее начального вращения, которые необходимы, чтобы в результате трюка с подбрасыванием после переворота бутылка встала на дно. А другая группа физиков описала процесс распространения «взрывной волны» в ленте, сложенной из палочек от эскимо и нашла диапазон условий, при которых этот эффект наблюдается.

Александр Дубов