麻省理工学院的数学家解决古老的意大利面神秘|麻省理工学院新

时间:2018-08-14 06:04来源: 作者: 点击:
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如果你碰巧有一盒面条在你的储藏室, 试试这个实验:拿出一个意大利面棒两端并托住它。 现在弯曲它,直到它打破。 你赚多少片段? 如果答案是三个或更多, 拿出另一个棍子,再试一次。 你能打破两个面吗? 如果不是, 你’在很好的公司。

意大利面条的挑战甚至已经挫败了著名物理学家理查德·费曼的喜欢 ’39, 曾经花了大部分的晚上打破意大利面和寻找一个理论解释为什么拒绝提前两个。

费因曼’年代厨房实验直到2005年仍悬而未决, 当物理学家从法国拼凑一个理论来描述当意大利面——和任何长力量在起作用, 细杆弯曲。 他们发现当棍子从两端弯曲均匀, 它将打破中心附近, 最弯曲的地方。 这个最初的触发 “恢复” 效果和弯曲波, 或振动, 进一步的骨折。 他们的理论, 赢了2006 , 似乎解决费曼’年代的难题。 但可以一个问题依然存在:意大利面强迫打破两个?

这个问题的答案, 根据一项新的麻省理工学院学习, 是肯定的——一个转折。 在本周发表的一篇论文美国国家科学院院刊》上, 研究人员报告说,他们已经找到一种方法打破意大利面在两个, 弯曲和扭转干面条。 他们进行了实验与数以百计的意大利面, 弯曲和扭转他们的装置建立专门为这个任务。 研究小组发现,如果一根棍子是扭曲的过去一定程度至关重要, 然后慢慢弯曲的一半, 它将, 尽管困难重重, 在两个。

研究人员说,结果可能应用程序超出了烹饪的好奇心, 如提高裂纹形成的理解和如何控制骨折等其他棒状材料multifiber结构, 设计纳米管, 甚至细胞内微管。

“这将是有趣的,看看如何扭曲同样可以被用来控制二维和三维断裂力学的材料,” 作者J说?rn邓克尔, 麻省理工学院物理应用数学副教授。 “在任何情况下, 这是一个有趣的跨学科项目开始,由两个杰出的和持久的学生,可能没有’不想看到的, 打破, 或者吃意大利面。”

这两个学生是罗纳德。他 ’16, 现在康奈尔大学的一名研究生, Vishal帕蒂尔和, 邓克尔数学研究生’s组麻省理工学院。 他们的合作者Norbert弯腰, 麻省理工学院的数学老师, 和大学的Emmanuel Villermaux Aix马赛。

麻省理工学院的数学家解决古老的意大利面神秘|麻省理工学院新

实验 (以上) 和模拟 (下面) 展示意大利面条干燥可以分解成两个或两个以上的片段, 扭转和弯曲。

深盘俯冲

他, 埃德加Gridello一起项目伙伴, 最初开始打破意大利面条的挑战在2015年的春天, 18.354的最终项目 (非线性动力学:连续系统), 邓克尔课程教。 他们对费曼读过’年代厨房实验, 并且怀疑意大利面在两个可以被打破,这是否分裂可以控制。

“他们做了一些手工测试, 尝试各种各样的东西, 想出了一个主意,当他把意大利面非常困难,一起将结束, 它似乎工作和它断成两截,” 邓克尔说。 “但是你必须扭转真的很强烈。 和罗纳德·想更深入地调查。”

所以他建立了一个机械断裂装置来控制扭转和弯曲棒的意大利面条。 两个夹两端设备的握住一根意大利面条。 一个夹一端可旋转拧干面条的不同程度, 而另一夹幻灯片向扭曲夹一起把两端的意大利面, 弯曲的棍子。

他和帕蒂尔使用设备弯曲和扭转数以百计的意大利面, 和相机记录整个分裂过程, 高达一百万帧每秒。 最后, 他们发现,先扭面条几乎360度, 然后慢慢将两个夹子弯曲, 完全在两个粘啪地一声折断了。 研究结果是一致的在两种类型的意大利面条:苏打灰五号和苏打灰。7, 有稍微不同的直径。麻省理工学院的数学家解决古老的意大利面神秘|麻省理工学院新

实验 (以上) 和模拟 (下面) 展示意大利面条干燥可以分解成两个或两个以上的片段, 扭转和弯曲。

面扭曲

并行, 帕蒂尔开始建立一个数学模型来解释扭曲可以在两个折断一根棍子。 要做到这一点, 他广义先前工作的巴塞尔·奥多利和赛巴斯坦·努克可荣获法国科学家, 最初开发的理论描述了谁 “恢复效果,” 的次波引起的’年代初打破创建额外的骨折, 导致意大利面主要吸附在三个或更多碎片。

帕蒂尔改编这一理论通过添加元素的扭曲, 看着扭应该如何影响任何势力和电波传播通过一根弯曲。 从他的模型, 他发现, 如果10-inch-long意大利面贴扭曲了270度,然后弯曲, 它将提前在两个, 主要是由于两方面的影响。 回跳, 木棍将回弹是弯曲的相反的方向, 在扭曲的存在削弱了。 和, 的twist-back, 在坚持将实质上解除原来的直配置呢, 从杆释放能量, 防止额外的骨折。

“一旦它休息, 你还回,因为杆要直,” 邓克尔解释道。 “但它也不’不想被扭曲。”

就像恢复将创建一个弯曲波, 木棍将来回摆动, 解除生成一个 “扭转波,” 在贴开瓶器本质上来回,直到它来休息。 扭转波比弯曲波的传播速度快, 能量消散这额外的临界压力积累, 这可能导致后续骨折, 不发生。

“那’为什么你永远不会第二休息当你转动不够努力,” 邓克尔说。

研究小组发现,当一个薄的理论预测会吸附在两块, 和三个或四个, 与他们的实验观察。

“综上所述, 我们的实验和理论结果的一般理解的变化如何影响骨折瀑布,” 邓克尔说。

现在, 他说,模型成功预测扭曲和弯曲将长, 薄, 圆柱棒如意大利面条。 至于其他面食类型?

“扁面条因为它是不同的’更像是一个丝带,” 邓克尔说。 “模型适用于完美的圆柱棒。 尽管意大利面是’t完美, 理论捕捉其断裂行为很好,”

这项研究是支持, 在某种程度上, 由阿尔弗雷德·p·斯隆基金会和詹姆斯·s·麦克唐纳基金会。

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文章关键词: 一个 两个 意大利 弯曲

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