Physiker aus Frankreich und den USA haben zwei Ansätze vorgeschlagen, um die Spaghetti in genau zwei Teile zu zerlegen. Richard Feynman bemerkte auch, dass beim Biegen trockener Spaghetti diese fast nie in zwei Hälften brechen – aufgrund der Ausbreitung einer kaskadierenden Dehnungswelle durch die trockenen Nudeln beträgt die Stückzahl immer drei oder mehr. Es stellte sich heraus, dass man die Spaghetti in zwei Teile zerbrechen kann, wenn man sie zuerst um die eigene Achse dreht. Sie können die beiden Enden der Pasta auch mit relativ geringer Geschwindigkeit näher zusammenbringen, schreiben Wissenschaftler in den Proceedings of the National Academy of Sciences.
Es ist bekannt, dass, wenn Sie eine trockene Pasta aus einer Packung Spaghetti nehmen und versuchen, sie durch langsames Biegen zu zerbrechen, Spaghetti fast nie in zwei Hälften brechen - das Brechen tritt fast gleichzeitig an mehreren Stellen auf, wodurch zwei Enden in den Händen bleiben, und mehrere andere, die sich drehen, fliegen irgendwo zur Seite weg. Typischerweise variiert die Anzahl der Stücke, in die die Pasta gebrochen wird, von drei bis zehn. Richard Feynman machte vor mehr als einem halben Jahrhundert auf dieses Problem aufmerksam, und 2005 gelang es den französischen Physikern Basile Audoly und Sébastien Neukirch, diesen Effekt zu erklären, wofür sie im folgenden Jahr den Shnobel-Preis erhielten.
Es stellte sich heraus, dass dieses ungewöhnliche Phänomen mit der Ausbreitung einer Begradigungswelle durch die Nudeln verbunden ist, die unmittelbar nach der ersten Pause einsetzt. Obwohl die Zeit zwischen mehreren Fehlern sehr kurz ist, treten sie dennoch nicht gleichzeitig auf: Der erste von ihnen bildet sich an der schwächsten Stelle der Pasta und breitet sich in etwa 10 Mikrosekunden über den Stab aus. Dadurch bilden sich in der Mitte der Pasta zwei freie Enden, in denen mechanische Spannungen verschwinden, die ein Aufrichten ermöglichen. Dieses Aufrichten erfolgt jedoch nicht sofort, sondern durch die Ausbreitung einer Biegewelle, die an manchen Stellen die Krümmung des Nudelstabes so stark verstärkt, dass er wieder bricht.
Spaghetti-Fehler: Experimentelle (links) und numerische Daten (rechts)
Dieses Problem ist natürlich viel umfassender als das einzige Experiment zum Brechen von Spaghetti: Dieselben Prozesse können in anderen Systemen mit ähnlicher Geometrie und ähnlichen physikalischen Eigenschaften auftreten. Gleichzeitig lässt sich dieser Mechanismus auf ganz anderen Maßstäben realisieren: in Bäumen, Knochen, Polymernetzwerken oder einer Reihe von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. In ähnlicher Weise bricht der Stock bei Leichtathleten manchmal, wenn das Geschoss falsch gewählt wird.
In einer früheren Arbeit erklärten französische Physiker die Gründe, warum Spaghetti nicht in zwei Hälften, sondern in eine größere Anzahl von Stücken zerbricht, und fanden eine Reihe von mechanischen Eigenschaften, bei denen ein solcher Effekt beobachtet werden könnte. Diesmal ging eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den USA und Frankreich unter der Leitung von Jörn Dunkel vom Massachusetts Institute of Technology etwas weiter und schlug einen Weg vor, wie man Nudeln mit bekannten mechanischen Eigenschaften trotzdem in zwei Stücke zerlegt, nicht in drei oder zehn. Für die Studie nutzten die Wissenschaftler ein Experiment, bei dem das Brechen von Spaghetti mit einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Aufnahmegeschwindigkeit von zweitausend bis einer Million Bildern pro Sekunde gefilmt wurde, sowie numerische Simulationen mit der Lösung der Kirchhoffschen Gleichungen.
Es hat sich herausgestellt, dass es möglich ist, die Pasta in zwei Hälften zu brechen, wenn sie gleichzeitig mit dem Biegen auch um ihre Achse gedreht und dann in einem solchen gedrehten Zustand fixiert wird. Außerdem muss man sie ziemlich stark verdrehen: Damit an genau einer Stelle ein Bruch entsteht, muss die 24 Zentimeter lange Pasta um mehr als 250 Grad gedreht werden. Wissenschaftler haben gezeigt, dass das Verdrehen von Spaghetti zu einer Änderung der inneren Spannung führt, die wiederum die Krümmung des Stabes während der Ausbreitung einer sich begradigenden Welle beeinflusst und den möglichen Abstand zwischen benachbarten Fehlern vergrößert. Das heißt, die "Abwickelwelle" bewegt sich schneller entlang der Spaghetti als die aufrichtende Welle, wodurch Sie überschüssige Energie schnell loswerden können. Die Autoren der Arbeit bestätigten die Annahme über die Änderung der Spannungsverteilung im Stab durch die Ergebnisse der numerischen Modellierung.
Fehler von Spaghetti, die um 100 Grad um ihre Achse verdreht sind: experimentelle Daten (oben) und numerische Simulation (unten)
Fehler von Spaghetti, die um 330 Grad um ihre Achse verdreht sind: experimentelle Daten (oben) und numerische Simulation (unten)
Neben dem Verdrehen haben Physiker eine andere Möglichkeit vorgeschlagen, die Nudeln in zwei Hälften zu brechen - die Geschwindigkeit zu ändern, mit der die Enden beim Biegen zusammenkommen. Es stellte sich heraus, dass bei einer langsamen Annäherung (ca. 5 Millimeter pro Sekunde) an einer einzigen Stelle ein Bruch auftritt. Mit zunehmender Geschwindigkeit wächst auch die Zahl der Bruchstellen, die bei einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millimetern pro Sekunde im Durchschnitt auf 4 ansteigt. Die Autoren stellen fest, dass diese Biegegeschwindigkeit einen eher schwachen Einfluss auf die Krümmung der Teigwaren hat, bei der der erste Bruch auftritt, aber aufgrund einer Erhöhung der linearen Energiedichte zu einer starken Abnahme der kritischen Größe der Elemente führt in die die Spaghetti brechen, und führt dementsprechend zu einer Zunahme ihrer Zahl.
Fotos vom Spaghettibrechen, deren Spitzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten zusammengeführt werden: 5 Millimeter pro Sekunde (links) und 300 Millimeter pro Sekunde (rechts)
Ihre Ergebnisse sind nach Ansicht der Studienautoren vor allem im Hinblick auf die Entwicklung von Ansätzen zur Kontrolle der Geometrie und mechanischen Eigenschaften von eindimensionalen Objekten natürlichen Ursprungs und von Menschen erhaltenen interessant. Gleichzeitig können beide Ansätze – mit Torsion und kinetischer Kontrolle – für die praktische Entwicklung nützlich sein.
Physiker versuchen oft, optimale Methoden für bekannte Sehprobleme oder populäre Unterhaltung zu finden. Wissenschaftler haben beispielsweise kürzlich die optimale Wassermenge in einer Plastikflasche und die Geschwindigkeit ihrer anfänglichen Rotation ermittelt, die notwendig sind, damit die Flasche durch den Wurftrick nach dem Umdrehen auf den Boden fällt. Und eine andere Gruppe von Physikern beschrieb den Prozess der Ausbreitung einer "Druckwelle" in einem Band aus Eis am Stiel und fand eine Reihe von Bedingungen, unter denen dieser Effekt beobachtet wird.
