Яичный желток значительно хуже переносит перегрузки при вращательном движении, чем при поступательном, — выяснили американские физики. Вращение с замедлением деформирует желток внутри яйца сильнее, чем с ускорением, а вот при линейных перегрузках его форма практически не изменяется. Результаты работы не только показывают как можно разрушить желток, не разбивая яйца, но также могут быть полезными для объяснения и предотвращения черепно-мозговых травм, пишут ученые в Physics of Fluids.
С точки зрения физика, сырое куриное яйцо — это деформируемая мягкая капсула (желток), помещенная в вязкую жидкость (белок) в ограниченном пространстве с твердыми стенками (скорлупой), то есть типичный предмет исследования физики мягких сред. Изучать механику таких систем теоретически довольно сложно (как правило, общих аналитических решений просто нет), поэтому часто ее исследование сводится к изучению конкретных систем с помощью численных методов, компьютерного моделирования или модельных экспериментов.
Зато решения, полученные таким образом для одной системы, нередко можно перенести и на другие объекты с аналогичными свойствами (часто — совершенно из другой области: близкие задачи механики мягких сред можно найти и в биологии, и в материаловедении, и, например, в кулинарии или пищевой промышленности). Например, то же яйцо с механической точки зрения можно рассматривать в качестве модели живой клетки в замкнутом пространстве или головного мозга внутри черепа.
Этот подход использовали американские физики под руководством Цяньхуна У (Qianhong Wu) из Университета Вилланова: ученые в эксперименте определили, как реагирует желток внутри сырого куриного яйца на резкие внешние механические воздействия и можно ли разрушить его, не повредив при этом скорлупы. Такой объект интересен для изучения и сам по себе, и потенциально — в качестве механической модели мягких капсул в ограниченной стенками жидкой среде. Чем-то желток напоминает жидкую каплю, помещенной в другую жидкость, с которой она не смешивается. Однако в отличие от капли, у желтка и белка практически одинаковая плотность, а между собой они разделены мембраной. Поэтому реакция на механическое воздействие определяется не равновесием между давлением жидкости и поверхностным натяжением, а динамическими эффектами, связанными с течением жидкости.
Для эксперимента ученые извлекли из шести куриных яиц желтки и белки, измерили их плотность (она составила 1,045±0,02 и 1,033±0,02 грамм на миллилитр соответственно) и упругие свойства покрывающей желток мембраны (ее толщина составила около трех микрометров, а модуль Юнга — 2,64±1,45 мегапаскалей). Затем, чтобы посмотреть, как желтки деформируются при механическом воздействии, физики помещали их в одну из двух специально собранных экспериментальных установок: в одной они изучали деформацию при поступательном движении, во второй — при вращении.
На первой установке по капсуле, внутри которой находился желтком в белковой среде, били молотком с максимальным ускорением 600 g. На второй установке желток помещали во вращающуюся цилиндрическую капсулу, которую сначала раскручивали до частоты 400 радианов в секунду (это примерно 64 герца), дожидались устойчивого состояния, а потом замедляли обратно.
Оказалось, что в первом случае — при поступательном движении — не происходит разрушения структуры желтка, и авторы работы не заметили практически никакой деформации. Ученые объясняют такое поведение очень близкой плотностью белка и желтка и несжимаемостью среды, из-за которых вся система двигалась после удара как твердое тело.
В отличие от первого эксперимента, во втором деформацию яичный желток довольно заметно деформировался. При вращении с ускорением он немного вытянулся вдоль оси вращения, но значительно сильнее была деформация при вращении с постепенным замедлением: он довольно сильно вытянулся в радиальном направлении и сплющился вдоль оси вращения. Только через минуту после остановки (ускорение и замедление занимало две и одну секунду соответственно) желток постепенно восстановил изначальную сферическую форму. Аналогичные эффекты оказались характерны и для модельной системы небиологического происхождения — мембраны из альгината кальция в лактатном растворе.
Чтобы разобраться в механизме, который приводит к такому эффекту, ученые провели численное моделирование и предложили следующее объяснение. Из-за инерции среды при раскручивании давление жидкости снаружи от мембраны не успевает скомпенсироваться центробежной силой, которая действует на жидкость внутри мембраны, и желток вытягивается вдоль оси вращения. Затем, когда достигается устойчивое состояние при постоянной скорости вращения, угловая скорость жидкости внутри мембраны становится больше скорости жидкости снаружи, из-за чего центробежная сила вырастает, и желток начинает расплющиваться. Поскольку этот эффект имеет инерционную природу, то скорость зависит от отношения чисел Струхаля и Рейнольдса — чем оно меньше, тем медленнее будет распространяться напряжение в среде и тем меньше будет деформироваться желток.
По словам ученых, эти данные могут быть полезными для объяснения и предотвращения травм головного мозга. Исходя из полученных результатов, наиболее опасным механическим воздействием для мозгового вещества может быть вращательное движение, особенно замедляющееся. Такой эффект, в частности, может объяснить опасность ударов в челюсть, при которых голове можно придать максимальное угловое ускорение.
Постоянные механические воздействия на головной мозг чреваты серьезными нейродегенративными заболеваниями. Например, серьезной проблемой для боксеров и игроков в американский футбол стала хроническая травматическая энцефалопатия — заболевание, вызываемое частыми травмами головы. Подробнее о нем вы можете прочитать в нашем материале «Потрясающий футбол».
Александр Дубов
Ученые проанализировали следы на 36 статуях
Китайские ученые проанализировали 79 отпечатков пальцев, хорошо сохранившихся на 36 терракотовых воинах из знаменитого мавзолея Цинь Шихуанди. Они обнаружили, что чуть меньше половины следов оставили взрослые мужчины, а все остальные отпечатки, по-видимому, принадлежали женщинам и подросткам или детям. Как сообщается в статье, опубликованной в Journal of Cultural Heritage, полученные данные опров…