Als je toevallig een doos spaghetti in je voorraadkast hebt, probeer dit experiment:trek een spaghettistokje uit en houd het aan beide uiteinden vast. Buig het nu totdat het breekt. Hoeveel fragmenten heb je gemaakt? Als het antwoord drie of meer is, trek een andere stok en probeer het opnieuw. Kun jij de noedels in tweeën breken? Als niet, je bent in heel goed gezelschap.

De spaghetti-uitdaging heeft zelfs de beroemde natuurkundige Richard Feynman '39 in de war gebracht, die eens een groot deel van een avond besteedde aan het breken van pasta en zoekend naar een theoretische verklaring waarom de stokjes weigerden in tweeën te breken.

Feynmans keukenexperiment bleef onopgelost tot 2005, toen natuurkundigen uit Frankrijk een theorie samenstelden om de krachten te beschrijven die aan het werk zijn bij spaghetti - en lang, dunne staaf - is gebogen. Ze ontdekten dat wanneer een stok aan beide uiteinden gelijkmatig wordt gebogen, het zal breken in de buurt van het centrum, waar het het meest gebogen is. Deze eerste breuk veroorzaakt een "snapback"-effect en een buiggolf, of trillingen, dat de stick verder breekt. hun theorie, die in 2006 de Ig Nobelprijs won, leek Feynmans puzzel op te lossen. Maar er bleef een vraag over:kan spaghetti ooit worden gedwongen om in tweeën te breken?

Het antwoord, volgens een nieuwe MIT-studie, is ja - met een twist. In een artikel dat deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences , onderzoekers melden dat ze een manier hebben gevonden om spaghetti in tweeën te breken, door zowel de droge noedels te buigen als te draaien. Ze deden experimenten met honderden spaghettisticks, buigen en draaien met een apparaat dat ze speciaal voor de taak hebben gebouwd. Het team ontdekte dat als een stok voorbij een bepaalde kritische graad wordt gedraaid, dan langzaam in tweeën gebogen, het zal, tegen alle verwachtingen in, in tweeën breken.

De onderzoekers zeggen dat de resultaten toepassingen kunnen hebben die verder gaan dan culinaire curiositeiten, zoals het verbeteren van het begrip van scheurvorming en het beheersen van breuken in andere staafachtige materialen zoals multivezelstructuren, gemanipuleerde nanobuisjes, of zelfs microtubuli in cellen.

"Het zal interessant zijn om te zien of en hoe twist op dezelfde manier kan worden gebruikt om de breukdynamiek van tweedimensionale en driedimensionale materialen te beheersen, " zegt co-auteur Jörn Dunkel, universitair hoofddocent fysische toegepaste wiskunde aan het MIT. "In elk geval, dit was een leuk interdisciplinair project, gestart en uitgevoerd door twee briljante en volhardende studenten - die waarschijnlijk niet willen zien, pauze, of eet een poosje spaghetti."

De twee leerlingen zijn Ronald Heisser '16, nu een afgestudeerde student aan de Cornell University, en Vishal Patil, een afgestudeerde wiskundestudent in de groep van Dunkel aan het MIT. Hun co-auteurs zijn Norbert Stoop, docent wiskunde aan het MIT, en Emmanuel Villermaux van de Université Aix Marseille.

Een diepe schotelduik

Heisser, samen met projectpartner Edgar Gridello, ging oorspronkelijk in het voorjaar van 2015 de uitdaging aan om spaghetti te breken, als afstudeerproject voor 18.354 (Nonlinear Dynamics:Continuum Systems), een cursus gegeven door Dunkel. Ze hadden gelezen over Feynmans keukenexperiment, en vroeg zich af of spaghetti op de een of andere manier in tweeën kon worden gebroken en of deze splitsing kon worden gecontroleerd.

"Ze deden wat handmatige tests, verschillende dingen geprobeerd, en kwam op het idee dat toen hij de spaghetti heel hard draaide en de uiteinden bij elkaar bracht, het leek te werken en het brak in twee stukken, ' zegt Dunkel. 'Maar je moet wel heel sterk draaien. En Ronald wilde dieper onderzoeken."

Dus bouwde Heisser een mechanisch breekapparaat om spaghettisticks controleerbaar te draaien en te buigen. Twee klemmen aan beide uiteinden van het apparaat houden een spaghettistaafje op zijn plaats. Een klem aan het ene uiteinde kan worden gedraaid om de droge noedel verschillende graden te draaien, terwijl de andere klem naar de draaiende klem schuift om de twee uiteinden van de spaghetti bij elkaar te brengen, het buigen van de stok.

Heisser en Patil gebruikten het apparaat om honderden spaghettisticks te buigen en te draaien, en legde het hele fragmentatieproces vast met een camera, tot een miljoen frames per seconde. Uiteindelijk, ze ontdekten dat door de spaghetti eerst bijna 360 graden te draaien, breng dan langzaam de twee klemmen samen om het te buigen, de stok brak precies in tweeën. De bevindingen waren consistent voor twee soorten spaghetti:Barilla No. 5 en Barilla No. 7, die een iets andere diameter hebben.

Noedeltwist

parallel, Patil begon een wiskundig model te ontwikkelen om uit te leggen hoe draaien een stok in tweeën kan breken. Om dit te doen, hij generaliseerde eerder werk van de Franse wetenschappers Basile Audoly en Sebastien Neukirch, die de oorspronkelijke theorie ontwikkelde om het "snapback-effect, " waarin een secundaire golf veroorzaakt door de eerste breuk van een stick extra breuken veroorzaakt, waardoor spaghetti meestal in drie of meer fragmenten breekt.

Patil paste deze theorie aan door het element draaien toe te voegen, en keek naar hoe draaiing alle krachten en golven zou moeten beïnvloeden die zich door een stok voortplanten als deze wordt gebogen. Van zijn model hij vond dat, als een 10-inch lange spaghettistok eerst ongeveer 270 graden wordt gedraaid en vervolgens wordt gebogen, het zal in tweeën breken, voornamelijk door twee effecten. De terugslag, waarin de stok terug zal springen in de tegenovergestelde richting van waaruit hij gebogen was, is verzwakt in de aanwezigheid van twist. En, de terugslag, waarbij de stick in wezen zal afwikkelen tot zijn oorspronkelijke rechtgetrokken configuratie, geeft energie vrij van de staaf, extra breuken te voorkomen.

"Als het eenmaal breekt, je hebt nog steeds een snapback omdat de hengel recht wil zijn, Dunkel legt uit. "Maar het wil ook niet verdraaid worden."

Net zoals de terugslag een buiggolf zal creëren, waarin de stok heen en weer wiebelt, het afwikkelen genereert een "draaigolf, " waar de stok in wezen heen en weer draait totdat hij tot stilstand komt. De draaigolf reist sneller dan de buiggolf, energie dissiperen zodat extra kritische spanningsaccumulaties, die latere breuken kunnen veroorzaken, niet voorkomen.

"Daarom krijg je nooit deze tweede pauze als je hard genoeg draait, ' zegt Dunkel.

Het team ontdekte dat de theoretische voorspellingen van wanneer een dunne stok in twee stukken zou breken, tegen drie of vier, overeenkwamen met hun experimentele waarnemingen.

"Bij elkaar genomen, onze experimenten en theoretische resultaten bevorderen het algemene begrip van hoe twist breukcascades beïnvloedt, ' zegt Dunkel.

Voor nu, hij zegt dat het model succesvol is in het voorspellen hoe lang draaien en buigen lang zal duren, dun, cilindrische staafjes zoals spaghetti. Wat betreft andere pastasoorten?

"Linguini is anders omdat het meer op een lint lijkt, Dunkel zegt. "De manier waarop het model is geconstrueerd, is van toepassing op perfect cilindrische staven. Hoewel spaghetti niet perfect is, de theorie legt het breukgedrag vrij goed vast, "