Попробуйте согнуть сухую спагеттину, держа её за оба конца: вместо двух половинок нередко получаются три или четыре фрагмента. Кажется, что макаронина должна просто переломиться в месте наибольшего изгиба, но за первым разломом часто следуют другие. Физики выяснили, почему так происходит и можно ли управлять результатом.
Иллюстрация: Marc Wieland / Unsplash.
Сухие спагетти — длинные и относительно хрупкие стержни. При сгибании в них накапливается упругая энергия, а кривизна обычно достигает максимума ближе к середине. Когда напряжение становится слишком большим, появляется первая трещина.
На этом процесс не всегда заканчивается. После разлома освободившиеся концы стремительно распрямляются, потому что больше не удерживаются в прежнем изогнутом положении. Это движение создаёт колебания, которые проходят вдоль оставшихся частей макаронины.
Колебания способны на короткое время увеличить изгиб отдельных участков. Если местная кривизна снова превышает предел прочности, появляется ещё одна трещина. Поэтому дополнительные фрагменты возникают не обязательно одновременно с первым разломом, а в ходе быстрой цепочки событий.
Такой механизм описали французские исследователи Базиль Одоли и Себастьен Нойкирх. Их работа о последовательном разрушении тонких стержней вышла в журнале Physical Review Letters в августе 2005 года. Учёные связали дополнительные изломы с волнами изгиба, возникающими после первоначального разрушения.
Вопрос оказался интересен не только любителям кухонных опытов. Длинные хрупкие элементы встречаются в самых разных конструкциях, а развитие трещин зависит от того, как распределяются и высвобождаются напряжения. Спагетти позволяют наблюдать подобные процессы на доступном и сравнительно простом примере.
Позднее исследователи Массачусетского технологического института решили проверить, можно ли добиться ровно двух частей. Они построили устройство, которое удерживало сухую макаронину с обоих концов и позволяло контролировать её закручивание и сгибание. Эксперименты с сотнями образцов сопровождались высокоскоростной съёмкой.
В работе, представленной в 2018 году, оказалось, что сильное предварительное закручивание меняет характер разрушения. При определённых условиях спагеттина, которую сначала скрутили, а затем медленно согнули, распадалась ровно на два фрагмента. Для изученных образцов исследователи использовали закручивание порядка почти полного оборота.
Причина связана с двумя типами движения, возникающими после первой трещины. Обычное распрямление порождает изгибные колебания, которые могут вызвать новые разломы. Закрученный стержень одновременно начинает раскручиваться, и это меняет распределение энергии и уменьшает вероятность вторичных трещин.
Универсальным кухонным рецептом такой приём считать нельзя. Результат зависит от толщины, длины, свойств сухих макарон и того, насколько равномерно их закручивают и сгибают. В лаборатории для точного контроля использовался специальный механизм, поэтому дома эффект может не повториться с первого раза.
Важно и то, что описанная модель относится прежде всего к длинным тонким стержням, близким по форме к цилиндру. Плоские макароны вроде лингвини ведут себя иначе, и переносить на них те же расчёты без оговорок нельзя. Сломанные на несколько частей спагетти не становятся из-за этого некачественными или испорченными.
Таким образом, загадка нескольких обломков связана не с необычным составом макарон, а с физикой упругости и распространения волн. Первый разлом запускает движение, способное породить следующие трещины, а предварительное закручивание при определённых условиях меняет эту цепочку. Обычный продукт оказался удобной моделью для исследования того, как разрушаются хрупкие материалы.