Физики опровергли представление о крепости яиц при ударе вдоль вытянутого направления

Физики опровергли распространенное мнение о том, что куриные яйца при падении вдоль вытянутого направления разбиваются реже, чем при падении на бок. Дело оказалось в следующем: в поперечном направлении яйца обладали меньшей жесткостью, а это в свою очередь позволило им равномерно перераспределить кинетическую энергию во время столкновения и в 11 раз уменьшить вероятность повреждения скорлупы (при падении с высоты восемь миллиметров). Авторы работы отметили, что их выводы могут оказаться полезным в материаловедении и при проектировании строительных конструкций. Результаты исследования опубликованы в Communications Physics.

О скорлупе куриных яиц часто рассказывают на уроках физики, приводя ее в качестве примера конструкции, которая при вертикальной ориентации выдерживает большие статические нагрузки, вопреки хрупкости самого материала. Дело в том, что в таком положении давление сверху распределяется по скорлупе равномерно, устраняя горизонтальные составляющие вектора силы и оставляя только вертикальные — яйцо не ломается даже при относительно больших нагрузках. Этот факт стал основой распространенного убеждения о том, что яйцо «сильнее» вдоль своего вытянутого направления.

Однако статическая нагрузка, то есть не изменяющаяся с момента приложения, неравносильна динамической, которая увеличивается с течением времени. Суть в том, что при динамическом ударе тело должно поглотить всю свою кинетическую энергию и преобразовать ее в обратимую деформацию. Другими словами, в случае динамической нагрузки материал должен быть более податлив, чтобы равномерно распределить энергию по телу.

Такое различие натолкнуло физиков из Израиля, Ирландии и США во главе с Талем Коэном (Tal Cohen) из Массачусетского технологического института на мысль о том, что при падении с высоты яйцо необязательно разобьется с меньшей вероятностью, если столкнется с поверхностью перпендикулярно вытянутому направлению.

Чтобы подтвердить или опровергнуть популярное мнение о жесткости и прочности яиц, ученые сначала провели 60 испытаний на сжатие с помощью механического пресса. Результаты эксперимента показали, что сила, при которой растрескивается скорлупа, в случае вертикально закрепленного яйца равна 46,0±6,61 ньютона и 45,2±5,52 ньютона для зафиксированного горизонтально. Вместе с тем при нагрузке вдоль короткого направления оболочка показала смещение на 30 процентов больше: 0,213±0,022 против 0,161±0,015 миллиметра. То есть жесткость яйца в вытянутом направлении действительно оказалась выше.

Затем физики осуществили 180 экспериментов по сбрасыванию яиц на твердую поверхность — 60 опытов для короткой оси образцов и по 60 для длинной оси в случае удара острым и тупым концом. В каждой серии из 60 испытаний авторы работы бросали яйца с трех различных высот: восемь, девять и десять миллиметров. В итоге экземпляры, сброшенные в вертикальной ориентации, растрескались при усредненной высоте 8,6 миллиметра, в то время как горизонтально ориентированные яйца выдержали падение со средней высоты в 8,9 миллиметра без образования трещин. Например, когда физики уронили яйца с высоты ровно 8 миллиметров, всего лишь 5 процентов образцов горизонтальной ориентации повредили скорлупу. Между тем экземпляры, упавшие вдоль вытянутого направления, растрескались в 55 процентах случаев. Помимо этого, ученые заметили, что на вероятность растрескивания практически не влияет то, каким именно концом падает яйцо вертикальной ориентации — острым или тупым.

Исследователи объяснили такие результаты следующим образом: в поперечном направлении скорлупа имела меньшую жесткость и оказалась более податлива. А это в свою очередь привело к более длительному контакту при ударе и, соответственно, плавному распределению кинетической энергии по материалу, что сохранило целостность оболочки. Этот вывод физики подтвердили с помощью численных методов, промоделировав яйцо как объект с оболочкой равномерной толщины и с однородным содержимым.

Авторы работы также отметили, что их исследование не только разрушило устоявшийся стереотип о крепости яиц при падении, но и может стать полезным в материаловедении, а также при проектировании строительных конструкций.

Куриные яйца не первый раз стали объектом пристального внимания ученых. О том, как физики научились оптимально варить яйца, скачкообразно меняя температуру каждые две минуты с 30 до 100 градусов, мы писали ранее.