Как учёные из MIT научились ломать спагетти посередине?

Сломать сухую спагетти пополам кажется простой задачей: берешь макаронину, сгибаешь за концы, и она должна разделиться на две равные части, чтобы удобно поместиться в кастрюлю. Но вместо аккуратных половинок в руках остаются несколько обломков, а мелкие кусочки разлетаются по кухне. Этот бытовой феномен, знакомый каждому, кто готовил пасту, оказался настоящей научной загадкой. Она привлекла внимание даже такого гиганта физики, как Ричард Фейнман, который в середине XX века ломал спагетти, пытаясь понять, почему они не делятся ровно надвое.

История разгадки этой тайны — это увлекательное путешествие от кухонных экспериментов до серьезных научных открытий, которые нашли применение далеко за пределами кулинарии.

Первые шаги к разгадке: каскад разломов

Когда вы сгибаете сухую спагетти, она ведет себя как тонкий упругий стержень. Казалось бы, разлом должен произойти в точке наибольшего изгиба — обычно посередине. Однако вместо одного аккуратного разрыва макаронина распадается на несколько частей, от трех до десяти. Этот эффект заинтересовал ученых еще в прошлом веке, но объяснение появилось лишь в 2005 году, когда французские физики Базиль Оли и Себастьян Нойкирш опубликовали свои выводы в журнале Physical Review Letters. Их работа, удостоенная Шнобелевской премии за оригинальность, раскрыла физическую природу явления.

При изгибе спагетти напряжение концентрируется в слабом месте стержня, где возникает первый разлом. Этот процесс занимает всего несколько микросекунд, после чего по макаронине распространяется волна распрямления. Она возникает, потому что свободные концы, образовавшиеся после разлома, теряют напряжение и начинают возвращаться в исходное положение. Волна увеличивает кривизну в других участках стержня, провоцируя дополнительные трещины. Этот каскадный эффект объясняет, почему спагетти дробятся на множество кусков. Ученые показали, что подобный механизм встречается не только в макаронах, но и в других материалах с похожей структурой, таких как деревянные балки или даже кости.

Новый подход: как сломать спагетти на две части

Объяснение причин дробления спагетти было лишь половиной задачи. Вопрос, как добиться разлома ровно пополам, оставался открытым. В 2018 году группа ученых под руководством Йорна Дункеля из Массачусетского технологического института (MIT) взялась за его решение. Их исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, предложило два способа преодолеть каскадный эффект. Для этого ученые использовали высокоскоростную камеру, фиксирующую до миллиона кадров в секунду, и численное моделирование на основе уравнений Кирхгоффа, описывающих поведение упругих стержней.

Первый способ заключается в скручивании спагетти перед изгибом. Если макаронину длиной около 24 см скрутить вокруг своей оси на угол более 250 градусов, а затем согнуть, она ломается в одном месте. Скручивание изменяет распределение внутреннего напряжения, из-за чего волна раскручивания распространяется быстрее, чем волна распрямления. Это позволяет рассеять энергию до того, как образуются дополнительные трещины. Второй способ связан с управлением скоростью изгиба. Если сближать концы спагетти медленно, со скоростью около 5 мм/с, разлом также ограничивается одной точкой. Быстрое сгибание, напротив, увеличивает накопление энергии, что приводит к множественным разломам.

Практическое значение открытий

На первый взгляд, исследование спагетти может показаться забавным курьезом, но его результаты имеют далеко идущие последствия. Понимание механизмов разлома стержней применимо в самых разных областях. В инженерии эти знания помогают проектировать более прочные конструкции, такие как мосты или здания, где используются цилиндрические элементы.

В медицине анализ каскадных разломов может улучшить разработку ортопедических имплантатов, предотвращающих переломы костей. Даже в нанотехнологиях выводы ученых находят применение, например, при создании полимерных сеток или углеродных нанотрубок. Способы управления разломами — через скручивание или контроль скорости — открывают новые возможности для работы с материалами, где важна точная геометрия.