如果你家廚房里有未煮的長意大利面（spaghetti），你就可以試試這個簡單的實(shí)驗(yàn)：拿出一根干面條，用手捏住面條兩端。接下來，彎曲這根面條直到它折斷。數(shù)一數(shù)它斷成了幾節(jié)——如果斷成了三節(jié)或以上，你可以再拿一根面條出來試一試。你能不能用這種方法把面條折成兩節(jié)？如果你因?yàn)槊鏃l不能斷成兩節(jié)而灰心喪氣，沒關(guān)系，因?yàn)檫@是一個由來已久的謎題。
連著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼都拒絕不了“面條挑戰(zhàn)”的吸引力。費(fèi)曼曾經(jīng)花費(fèi)了大半個晚上和長意面較勁，一邊掰折意大利面一邊思考如何用理論解釋“面條不會斷成兩節(jié)”這一特性。
直到 2005 年，費(fèi)曼的“廚房實(shí)驗(yàn)”才有了新進(jìn)展：一些法國物理學(xué)家們提出了一個理論以解釋意大利面——或者任何其它細(xì)長條狀物體——彎曲時的作用力。他們發(fā)現(xiàn)若是一根條狀物體因兩頭受力而均勻彎曲，它會最先從中間斷裂，因?yàn)橹虚g的彎曲程度最大。這種初始斷裂觸發(fā)了“回彈效應(yīng)”和彎曲波動，也就是振動，進(jìn)一步破壞了這個物體。他們這一理論獲得了2006 年的搞笑諾貝爾獎，并且似乎能夠被用來解釋費(fèi)曼的意大利面謎題。但是他們還是留下了一個問題：意大利面到底能不能被強(qiáng)行折成兩段呢？
根據(jù)麻省理工學(xué)院的最新研究，答案是能的——但是需要技巧。在本周美國國家科學(xué)院院刊上發(fā)表的文章中，研究者們稱他們發(fā)現(xiàn)同時彎曲和扭轉(zhuǎn)干面條就能將其折成兩段。為此，他們建造了一臺專門用來彎曲和扭轉(zhuǎn)數(shù)百種意大利面條的機(jī)器。研究組發(fā)現(xiàn)，在面條的扭轉(zhuǎn)程度超過了某一個特定角度后慢慢彎折它，面條就能夠斷裂成兩節(jié)。研究人員表示，這些結(jié)果可能具有超越“烹飪好奇心”的應(yīng)用，例如能夠增強(qiáng)對裂縫形成的理解，以及能夠控制條狀材料中裂縫的生成，可能被應(yīng)用于多纖維結(jié)構(gòu)、工程納米管，甚至細(xì)胞中的微管等。
論文合著者、物理應(yīng)用數(shù)學(xué)副教授 J?rn Dunkel 解釋道：“一個非常有趣的課題是扭轉(zhuǎn)這一行為能不能被用于控制二維和三維材料的斷裂過程，及這一行為將如何被應(yīng)用。不論前景如何，我們的研究是一個有趣的跨學(xué)科課題，由兩位聰慧而堅(jiān)持不懈的學(xué)生合力完成——不過他們一時半會兒大概不會想看見、折斷，甚至是吃意大利面了?！?/p>
這兩位學(xué)生是 16 屆的 Ronald Heisser，現(xiàn)在在康奈爾大學(xué)深造；另一位是 Dunkel 指導(dǎo)的數(shù)學(xué)系研究生 Vishal Patil。他們的合著者有麻省理工的數(shù)學(xué)教授 Norbert Stoop，和艾克斯-馬賽大學(xué)的 Emmanuel Villermaux。
深入美食、深入研究
Heisser 和他的搭檔 Edgar Gridello 早在 2015 年春天就對“意大利面謎題”產(chǎn)生了興趣。在 Dunkel 2015 年春天教授的“非線性動力學(xué)：連續(xù)體系統(tǒng)”這門課上，他們將這一個課題當(dāng)作了結(jié)課項(xiàng)目。他們在閱讀了費(fèi)曼的“廚房實(shí)驗(yàn)”后，想知道意大利面是否能夠某種方式被折成兩節(jié)，以及意大利面的折斷過程是否是可控的。
“他們進(jìn)行了一些人工實(shí)驗(yàn)，嘗試了幾種方案，最終發(fā)現(xiàn)在折斷的過程中非常用力地扭轉(zhuǎn)意大利面，似乎就能讓意大利面斷成兩節(jié)?！盌unkel 說，“但是必須用很大的力氣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)。Ronald (Heisser) 想進(jìn)一步研究這個問題?！?/p>
因此，Heisser 建造了一臺控制意大利干面條扭轉(zhuǎn)和彎折的機(jī)器。機(jī)器兩頭的夾子能夠?qū)⒁桓獯罄婢o緊夾住：一頭的夾子能夠旋轉(zhuǎn)，從而能夠以不同角度扭轉(zhuǎn)意大利面；另一頭的夾子能夠向中心滑動，讓面條兩頭靠近，從而彎折面條。
Heisser 和 Patil 用這個機(jī)器彎折、扭轉(zhuǎn)了成百上千根意大利面條，同時用每秒上百萬幀的攝影機(jī)記錄下了這一過程。在最后，他們發(fā)現(xiàn)先把面條扭轉(zhuǎn) 360 度，再緩慢將面條兩頭靠近，面條就能準(zhǔn)確地折成兩段。這一成果在兩種面條上表現(xiàn)一致，分別是意面品牌 Barilla 的 5 號和 7 號面條——兩種面條的直徑有所不同。
面條扭轉(zhuǎn)
同時，Patil 開始建造一個數(shù)學(xué)模型，以解釋扭轉(zhuǎn)是如何讓面條準(zhǔn)確地?cái)喑蓛晒?jié)的。首先他提煉了法國科學(xué)家 Basile Audoly 和 Sebastien Neukirch 的研究成果，也就是前文獲得搞笑諾貝爾獎的“回彈效應(yīng)”——棍子的初始斷裂引起的次級波會產(chǎn)生額外的裂痕，導(dǎo)致意大利面斷成三個或更多碎片。
Patil 將扭轉(zhuǎn)這一變量加入了原本的理論，研究了扭轉(zhuǎn)角度如何影響條狀物體彎曲時波和作用力的傳播。通過他的模型，他發(fā)現(xiàn)如果一個 10 英寸長的意大利面條扭轉(zhuǎn) 270 度后被彎折，它斷成兩節(jié)是受到了兩個影響：一個是“回彈效應(yīng)”，也就是面條斷裂后向彎折相反的方向彈開的程度，會因扭轉(zhuǎn)而減少；另一個是“反扭轉(zhuǎn)”，也就是面條會展開到原始的拉直形態(tài)，從自身釋放能量，防止額外的折斷。
Dunkel 解釋道：“面條一旦折斷，它還是會經(jīng)歷回彈，原因是它想回到原本的拉直狀態(tài)。但是同時它也會從扭轉(zhuǎn)角度歸位?！?/p>
在“回彈效應(yīng)”產(chǎn)生一個“彎曲波“、讓面條前后擺動的同時，面條從扭轉(zhuǎn)角度伸直也產(chǎn)生了一個“扭轉(zhuǎn)波”，也就是面條會前后扭轉(zhuǎn)直到停止?！芭まD(zhuǎn)波”的速度大于“彎曲波“，耗散能量，從而不會發(fā)生可能導(dǎo)致后續(xù)裂縫的額外臨界壓力累積。
“這就是為什么扭轉(zhuǎn)足夠大后就不會發(fā)生二次斷裂。”Dunkel 說。
研究組們通過理論預(yù)測了細(xì)長結(jié)構(gòu)會斷裂成兩段和三段以上的條件，發(fā)現(xiàn)理論預(yù)測的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。
Dunkel 說：“總之，我們的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果推動了對扭轉(zhuǎn)和次級斷裂的理解?！?/p>
他認(rèn)為，從此之后他們的模型能夠成功預(yù)測細(xì)長圓柱體的斷裂情況，比如細(xì)長條的意大利面。那對于其它意式面食來說呢？
“意大利扁細(xì)面（Linguini）不太一樣：扁細(xì)面更像一條絲帶?！盌unkel 說，“這個模型僅適用于完美的細(xì)長圓柱體。盡管長意大利面并不根根完美，但是這個模型依舊能夠準(zhǔn)確預(yù)測它的斷裂表現(xiàn)?！?/p>
https://yyk.familydoctor.com.cn/21222/newslist_8_1.html
https://yyk.familydoctor.com.cn/21222/newslist_7_1.html
