Fizyka makaronu

Ugotowany też dobry
W tym czasie okazało się, że makaron dla fizyków jest ważniejszym obiektem badawczym, niż mogłoby się wydawać. Tym razem chodzi jednak o spaghetti gotowane. Kiedy liny pękają? W których miejscach? I co zrobić, żeby nie pękały? To bardzo ważne dla konstruktorów wiszących na stalowych linach konstrukcji (np. mostów czy kolejek linowych), ale także dla tych, którzy uprawiają wspinaczkę wysokogórską, komandosów, strażaków czy żeglarzy, tych, którzy holują samochód, i tych, którzy rozkładają kilometry przewodów światłowodowych na dnie oceanów. To wszystko można badać dzięki ugotowanym nitkom makaronu. Jednym z liderów tych badań jest pracujący w Politechnice Poznańskiej fizyk, prof. Piotr Pierański. Naukowiec gotował spaghetti, lekko zwilżał je oliwą i… wiązał na jego nitkach węzły. Następnie ciągnął i obserwował, gdzie makaron pęka. Można by pomyśleć, że powinno się to stać w miejscu, w którym nitkę trzyma się w palcach. Nic z tego. Nie pęka nawet w samym środku węzła albo nie zawsze tam. Pęka w miejscu, w którym zakrzywienie makaronu (liny) jest największe. Ta część liny, która jest mocno zgięta, rozciąga się bardziej niż jej prosty fragment. Im silniejsze zakrzywienie, tym większa siła rozciągająca. Gdy lina obciążona jest do granic swoich możliwości, w miejscu węzła, te granice dawno już zostały przekroczone. I lina zrywa się.

Zapętlona sprawa
O tym, że węzły osłabiają liny (zmniejszają ich wytrzymałość na rozciąganie), wiedziano od dawna, ale dopiero zaawansowane modele komputerowe pozwoliły sprawę wytłumaczyć w sposób naukowy. Z badań wynika, że węzeł węzłowi nierówny. Klasyfikacja węzłów to zajęcie topologów, czyli matematyków. Podobno najłatwiej poklasyfikować różne supły, biorąc za kryterium stopień ich… zaplątania. Same węzły to znowu temat na osobny artykuł, ale może warto wspomnieć, że – według rachunków matematyków – różnych węzłów, w których lina krzyżuje się nie więcej niż 16 razy, jest aż 1 701 935. Niezależnie jednak od ilości skrzyżowań w węźle, czym bardziej lina powyginana, tym gorzej. To informacja kluczowa dla architektów czy konstruktorów. Przecież stalowe liny do podstawy czy do poszczególnych elementów konstrukcyjnych mocuje się właśnie za pomocą węzłów. Dobrze wiedzieć, które węzły bardziej wpływają na wytrzymałość liny, a które mniej. Na podstawie obserwacji… tak, tak, węzłów na makaronie, powstają matematyczne modele, dzięki którym – w zależności od tworzywa, grubości liny, gładkości jej powierzchni czy rodzaju węzła – można przewidzieć nie tylko, czy lina pęknie, ale także, w którym miejscu to się stanie. Dlaczego takie badania prowadzi się na makaronach, a nie na przykład na prawdziwych linach alpinistycznych? Z kilku powodów. Do zerwania nitki spaghetti potrzeba niewielkiej siły, a to ogranicza koszty wyposażenia laboratorium. Sam makaron jako obiekt doświadczalny jest bardzo tani. I ostatni, choć może najważniejszy, argument. Węzły na makaronie zrywają się wolniej niż na przykład na syntetycznych żyłkach. W tych ostatnich wszystko dzieje się w takim tempie, że za wydarzeniami nie nadążają nawet szybko działające specjalistyczne kamery cyfrowe.