Fizyka makaronu

Jednemu z najsławniejszych fizyków XX wieku Richardowi Feynmanowi zadano kiedyś pytanie o pękający makaron spaghetti. Przy wyginaniu sucha nitka nigdy nie pęka na dwie części, tylko na 3 do 10 kawałków. Dlaczego? Na intuicję powinna łamać się na pół. Tak jak na dwie części łamie się ołówek czy naginana plastikowa linijka. Zmarły przed kilkunastu laty badacz był laureatem Nagrody Nobla i twórcą relatywistycznej teorii elektrodynamiki kwantowej.

Przede wszystkim jednak ciekawym świata człowiekiem. Postanowił sprawę zbadać. Łamał różne makarony w różnych warunkach i… do niczego nie doszedł. Zauważył jedynie, że nie tylko suche makarony dziwnie się zachowują, ale także podobne w proporcjach (stosunek długości do średnicy) pręciki teflonu, stali i szkła. A to już poważna sprawa, bo od zrozumienia tego fenomenu może zależeć ludzkie życie. Konstrukcje drapaczy chmur, samoloty, mosty… to wszystko budowane jest z wykonanych z różnych materiałów prętów czy kształtek przypominających tyczki. Zrozumienie tego, co dzieje się z elementami konstrukcyjnymi w czasie odkształcania (przykładania siły), jest rzeczą kluczową.

Lawina pęknięć
Do pracy nad makaronem (a przy okazji innymi materiałami) zabrali się poważni fizycy, a nie tylko – jak Feynman – ciekawi świata zwariowani naukowcy. Fenomen pękania na kilka kawałków wyjaśniono dopiero przed kilku laty. Pomocna okazała się superszybka kamera cyfrowa. Gdy zginamy np. plastikową linijkę, a ta pęka, jej nowo powstałe końcówki drgają (jak trampolina) tak długo, aż wytracą energię i wrócą do stanu podstawowego. W prętach makaronopodobnych tak się nie dzieje. Energia gromadzi się zwykle w połowie zginanego odcinka. Gdy pręt pęka, jego końcówki nie drgają. Od miejsca pęknięcia rozchodzi się na boki zaburzenie (podobne do fali uderzeniowej) z nagromadzoną energią, powodując powstanie kolejnych pęknięć. Zginany makaron nie rozlatuje się więc na kilka części równocześnie. Najpierw pęka mniej więcej w środku, a później rozpada się dalej. Wszystko dzieje się tak szybko, że ludzkie oko nie potrafi tego wychwycić. Kamera, którą posługiwali się fizycy, robiła ponad tysiąc ujęć na sekundę. To, co udało się odkryć, jest niezwykle istotne dla inżynierów i architektów, ale także dla „dostarczycieli” technologii, czyli materiałoznawców. Przy okazji tych badań udało się odkryć kilka innych rzeczy, między innymi to, w jaki sposób trzeba uderzyć piłkę kijem do baseballu (ale także rakietą), by ta leciała superprecyzyjnie. No ale to już temat na zupełnie inny artykuł.