Победа разума над макаронами: проблема Фейнмана решена спустя полвека
Великий физик ХХ века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман, обычно достигал успеха в тех задачах, за которые брался — к примеру, в создании квантовой электродинамики. Тем не менее, одну из поставленных им задач он так и не решил. По свидетельству очевидцев, целый вечер доктор Фейнман задумчиво вынимал из пачки спагетти по одной макаронине, брал ее за два конца и гнул, пока та не сломается.
Макаронина ломалась на три части, на четыре, на пять или больше. Но ни разу она не сломалась на два куска (каждый желающий может повторить опыт и убедиться в справедливости правила).
Гениальный теоретик откладывал спагетти и исписывал формулами листы бумаги, а затем снова возвращался к экспериментированию. Но объяснение эффекта — не говоря уже о практическом рецепте разламывания спагетти ровно надвое — оставалось неуловимым.
Задача была решена лишь теперь, — в год столетия Фейнмана и спустя 30 лет после его смерти, — о чем и сообщает статья в Proceedings of the National Academy of Sciences, одном из самых престижных научных изданий мира.
Нельзя сказать, что физики надолго отложили работу над этой проблемой: загадка не могла не будоражить их умы, и на протяжении десятилетий они то и дело откладывали текущие дела и возвращались к макаронам. Наконец, в 2005 году успех улыбнулся французским ученым Базилю Одоли и Себастиану Нейкиршу: они предложили теоретическое объяснение эффекта. Дело в том, что если сгибать сухую макаронину, — или любой другой жесткий стержень, — он в конце концов сломается где-то вблизи середины, то есть там, где изгиб максимален. Однако в момент разлома по стержню распространяется волна деформаций, которые приводят к дополнительным разломам в других местах, в зависимости от рисунка распространения прямой и отраженной волн. Работа французских исследователей в 2006 году удостоилась Шнобелевской премии. Однако половина задачи осталась нерешенной: что нужно сделать, чтобы все-таки сломать спагетти на две части? Этим и занялись ученые из Массачусетского института технологий.
Профессор Йорн Дункель поручил задачу своим студентам, Рональду Хайсеру, Эдгару Гриделло и Вишалу Патилу, в качестве итогового проекта по курсу «Нелинейная динамика: континуальные системы». Для чистоты эксперимента макароны ломали не вручную, а с помощью специально разработанного прибора: стержень закреплялся с двух сторон, и к нему прилагалось тщательно дозируемое механическое усилие. И решение было найдено.
Чтобы сломать спагетти на две части, требуется не только гнуть их, но одновременно скручивать, причем довольно сильно. Стандартную 25-сантиметровую макаронину придется скрутить минимум на 270 градусов: тогда в большинстве случаев на ней образуется всего один разлом.
После серии экспериментов последовала теоретическая работа: следовало объяснить, в чем же волшебство скрученной макаронины. Выяснилось следующее: при первом разломе происходит релаксация напряжения скручивания. Так же как и с изгибом, волна колебаний распространяется вдоль макаронины от излома к концам.
Однако волна колебаний скручивания бежит быстрее, и она успевает рассеять энергию еще до того, как волна изгибов приведет к новым изломам. Теоретические расчеты полностью совпали с данными эксперимента.
Практическое значение работы весьма велико. Жесткие цилиндрические стержни — элемент разнообразных инженерных конструкций. Человека, идущего по мосту, приятно успокаивает мысль, что такие конструкции рассчитываются по последнему слову науки о сопротивлении материалов. Однако тот факт, что задача Фейнмана так долго оставалась нерешенной — а значит, инженеры вообще не имеют никакого представления о том, почему жесткий стержень ломается именно так, а не этак — может омрачить его прогулку.
По словам руководителя исследования Йорна Дункеля, полученный результат углубляет понимание того, как скручивание влияет на каскадные изломы. Однако ученый предостерегает, что теория пока описывает только спагетти: чтобы понять поведение лингвини, имеющих форму ленты, потребуются дополнительные расчеты.