@ 2018.08.21 , 16:00

无用技能:如何把一根生面条恰好掰成两段

你饿不饿?我煮个面给你吃,顺便给你介绍一下细长脆性材质的断裂动力学机制。

甭管是生的意大利面还是东北大挂面,你抽出一根,两手分别捏住两端将其掰断。你会发现,干面条在断裂的时候,总是会碎裂成好几部分,而不会干净利索地断成两截。

麻省理工学院的数学家们对这一现象深深着迷,这倒不是他们闲的五脊六兽,实际上最早在严肃的公开场合讨论这一问题的科学家正是大名鼎鼎的诺贝尔物理学奖得主理查德·费曼。他思索良久,却苦苦不得要领,最后甚至没有活着看到答案,直到2005年——他去世后17年才有物理学家给出了令人信服的解释,捎带一提,他们的研究为他们赢得了2006年诺贝尔物理学奖——搞笑版。

发表在《物理评论快报》上的两篇论文中,法国科学家们发现,在一根意大利面条的两端均匀施加力时,它会弯曲直到某个临界点。断裂的瞬间,两段半截的面条从弯曲状态快速反弹伸直,而出于惯性,它们会再次向反方向弯曲,形成波浪式的震动,结果就是手中的两段再次发生断裂。

无用技能:如何把一根生面条恰好掰成两段
Heisser et al./MIT

简明扼要,嗯?但麻省理工学院的研究人员现在提出了另外一个问题:是否有办法把一根意大利面条恰好掰成两段?

为此,他们专门制造了一台掰面条机,一番折腾下来,还真有所发现:如果你将意大利面条扭到一定程度,然后慢慢弯曲,它就会分成整齐的两截。

好吧,这样的事实可能对大家的下面水平毫无帮助。但它可能在其他领域里有所应用——还记得2006年的诺贝尔物理学奖嘛。

麻省理工学院的物理应用数学家JörnDunkel说:“了解到如何使用扭曲手段来控制二维和三维的脆性材料发生断裂的动力学知识,非常有趣。”

该研究由MIT的两名学生Ronald Heisser和Vishal Patil发起。 Heisser猜测扭转可能会影响到意大利面条的断裂方式,并自己动手做了实验。

当然,用手掰面条的实验方法局限性太大,因此接下来他设计并制造了一种装置,可以微调扭曲和掰的力度。

无用技能:如何把一根生面条恰好掰成两段
Heisser et al./MIT

收获的精确性数据使Patil能够建立掰面条的完美的数学模型。

研究人员发现,将意大利面扭转270度,然后以3毫米/秒的速度将两端弯曲在一起,可以使意大利面条分成两半。他们甚至尝试了两种不同厚度的意大利面条,都得到了相同的结果。

这是因为扭曲减轻了反弹效应和回复的震动波,因为它削弱了初始反冲的强度。断裂的意大利面条以螺旋状的方式释放了弹性势能。因为扭曲波动比弯曲波动传播得更快,从而防止应力在意大利面条的结构中累积。

该团队还发现,他们的数学建模能够准确地预测一根面条何时会分成四块而不是两块。

“总之,我们的实验和理论结果推动了对扭曲如何影响断裂级联的一般理解。”Dunkel说。

在研究过程中,数百根意大利面条支离破碎惨不忍睹,飞天意面神教表示强烈谴责。论文已发表在PNAS。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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