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