Шнобелевская премия → Ломкие спагетти

8 Дек
2011

Сломать можно и мрамор, и камень, и железо, и, разумеется, спагетти. Правда, ломаются они особенным образом. Почти никогда не удается разделить трубочку спагетти на две части — получается от трех до шести кусочков, в зависимости от толщины макаронины. В итальянских ресторанчиках это явление тоже известно. «Наверное, надо выбрать определенный сорт макарон», — предложили мне Роберто и Рита. На самом деле их спагетти № 5 и № 7, а также капеллини № 1 тоже все время ломались по-разному, так что даже среднее значение трудно было установить. Тем не менее в 89 % случаев на кухне итальянского ресторана спагетти разламывались опять-таки более чем на два фрагмента.
Вместо того чтобы, как я, положиться на практические наблюдения, французские ученые Базиль Одоли и Себастьян Нойкирх решили серьезно взяться за проблему ломки спагетти. В Национальном центре научных исследований Франции они сперва упростили процесс таким образом, чтобы во время разламывания макаронины на нее никак не воздействовал сам экспериментатор.

Для этого они, закрепив двадцать пять отделенных друг от друга палочек спагетти при помощи специальных зажимов, отогнули их свободные концы до установленного предела, а потом отпустили (см. рис). «Удивительно, — отмечают исследователи, — макаронины не распрямлялись и не возвращались в прежнее положение, а переламывались в каком-нибудь месте».

Тогда при помощи высокоскоростной видеокамеры ученые засняли это странное поведение макаронин. Оказалось, что в трубочках спагетти образуются сильные волновые колебания. Эти волны так мощно сотрясают макаронины, что те переламываются в нескольких местах.

Но в повседневной жизни макаронины не помещают в зажимы и не выгибают, а берут в руки. При этом их кончики оказываются на ладонях. Если макаронины согнуть, эффект, достигнутый в лаборатории, усилится в несколько раз. Дело в том, что в этом случае колебаться будут обе части спагетти.

Поэтому, ломая макаронины вручную, вместо двух частей вы получите несколько. Кусочки макаронных изделий, которые вы держите в руках, продолжают колебаться, но настолько быстро, что человеческий глаз не может этого уловить. Волновые колебания в кусках макаронин усиливаются и вызывают дальнейшие разрушительные сотрясения.

На рис:  вот так ломаются спагетти: не один раз, а несколько. Первый разлом происходит там, где отпущенная макаронина была изогнута сильнее всего. Иллюстрация Л. Фус и М. Бенеке, сделанная на основе исследований Одоли и Некирша (2005).

«Сначала нам показалось нелогичным, что хрупкая, но эластичная палочка тут же переламывается, стоит ее немного согнуть, а затем отпустить, — признаются Одоли и Нойкирх. — Поэтому мы попытались проследить за этим процессом с помощью компьютера». Так исследователи и поступили, хотя для этого им понадобилось прибегнуть к дифференциальным уравнениям свободных затухающих колебаний.

«Спагетти ломаются так, — объясняют исследователи. — Когда вы отпускаете свободный конец, другой, закрепленный конец макаронины сначала возвращается в исходное положение. Но это возвратное движение вызывает волновые колебания, которые от свободного конца макаронины молниеносно перемещаются к закрепленному концу. Оттуда они снова мчатся к свободному концу (см. рис). Поскольку эти волны пробегают по макаронине туда и обратно в течение очень короткого промежутка времени, посредине возникает большая амплитуда колебаний (вершина волны). Вот тут в определенный момент и происходит новый разлом».

Получается, что рядом с первым «правильным» разломом, который сделали вы, внутри фрагментов макаронины в результате самопроизвольных колебаний образуются новые трещины, и в большинстве случаев из одной разломившейся соломинки спагетти получается от трех до десяти кусочков.

Впрочем, все это применимо не только к макаронам, но и к любым подобным сооружениям (например, к узким небоскребам, к телебашням, которые могут выйти из-под контроля в случае землетрясения или сильного ветра). Для них действуют те же законы, что и для безобидных макаронин, если, конечно, инженеры-строители заранее не предотвратили их посредством правильных стройматериалов.

На рис: волновые колебания перемещаются от свободного конца макаронины к зажиму, а затем обратно.

К чему может привести невнимательность инженеров, демонстрирует так называемая резонансная катастрофа, приключившаяся с Такомским мостом, который расположен в американском штате Вашингтон. Спустя всего четыре месяца после завершения строительства из-за ветра по нему пошли те самые волны, которые гуляют внутри спагетти. Колебания в течение часа перемещались с одного конца моста на другой, а 7 ноября 1940 года в 11 часов утра мост переломился. Пока эти колебания изгибали асфальтовую мостовую (надо же — а ведь в случае с тоненькими макаронами они кажутся совсем безобидными!), какой-то инженер-строитель даже успел зайти на мост и проверить, все ли в порядке (см. рис, стрелка). Он попытался изменить амплитуду колебаний, для чего пошел точно вдоль осевой линии, которая раскачивалась меньше всего из-за натяжения, возникавшего от перекручивания проезжей части.

В тот раз не пострадал никто, кроме собаки, которая не решилась выпрыгнуть из машины, брошенной хозяином на мосту. Собака упала в воду вместе с автомобилем и погибла.

«Работа со спагетти доставила нам массу удовольствия, — резюмируют французские физики, — ведь, когда ясно, как они ломаются, понимаешь, каким образом разрушается все остальное — будь то небоскребы, самолеты или автомобили».

На рис. вначале статьи: Такомский мост разрушился в ноябре 1940 года. Динамические колебания распространялись по нему также, как и внутри отдельно взятой спагеттины.


 

Комментарии:

наверх