義大利面怎麼掰折都只會斷成三段？這個奇怪規律已被科學家打破！

天下 09-07

無論怎麼掰折義大利面，它總是會斷成三段或更多，這件事曾讓著名物理學家理查德·費曼都百思不得其解。最近，科學家們終於破解了義大利面的斷裂之謎。他們發現：只要將義大利面事先扭轉一圈，就可以輕易地將其折斷成完整的兩半。這個腦洞大開的實驗，讓材料物理學家們大受啟發。

圖為掰斷的義大利面；供圖：研究人員提供

來源 | AIP Inside Science

作者 | Charles Q. Choi

想要把乾的義大利面整整齊齊地掰成完整的兩半幾乎是不可能的，這一挑戰讓熱愛麵食的研究人員困惑了幾十年。近來，來自麻省理工學院的科學家們終於找到了如何把乾的義大利面掰成完整兩半的方法：只要先擰一下。這個發現可能有助於解釋裂縫是如何形成的，以及如何控制其他棒狀材料的斷裂，比如高爾夫球杆和直升機葉片中使用的碳纖維材料，甚或是細胞中的微管骨架。

2006年搞笑諾貝爾物理學獎

如果你拿著一根義大利麵條的兩端，將它彎曲直至斷裂，通常的結果是它會斷成三個或更多的碎片。那麼為什麼這種麵條不能被掰成完整的兩半呢?這是一個謎題，即使是諾貝爾獎得主理查德·費曼（Richard Feynman），在廚房裡嘗試掰了幾個小時的義大利面，也無法將它掰成完整的兩半。

直到2005年，法國物理學家最終解決了這個難題，並因此獲得了2006年的「搞笑諾貝爾物理學獎」。他們發現對於義大利面這種彎曲結構，或是其他任何類似的細長彎曲脆桿,它們首先斷裂的地方會靠近其中心附近，即彎曲最厲害的地方，但隨後由此觸發的後續力將會折斷該脆桿的其他部分,使其斷裂成三段或者更多。

義大利面在被掰斷的時候會裂成三段或者更多；圖片來源於網路

那麼問題來了，義大利面究竟能不能只被折成兩半呢？

現在，科學家們已經找到了辦法，他們發現，在彎曲義大利面的同時扭轉它，就能將其只斷成完整的兩半。來自麻省理工學院的應用數學家，也是該項研究的資深作者耶恩?鄧克爾（J?rn Dunkel）介紹說:「通過扭轉可以非常精確地控制義大利面的斷裂。」

腦洞大開的實驗

這項研究其實是源於麻省理工學院的學生們在上完鄧克爾教授的非線性動力學課程之後的「突發奇想」，他們決定去解開這個謎題。鄧克爾教授說：「我們的學生不喜歡接受『嗯，這是不可能的』之類的回答，他們總是會問『為什麼不行呢?』以及『我們怎樣才能讓它成為可能?』」。

該研究的另一共同作者羅納德?海瑟爾（Ronald Heisser），現在是康奈爾大學的一名機械工程師。當時，他們為了進行實驗，建造了一個裝置來扭轉和彎曲義大利面。該裝置包含兩個夾子，用來夾住義大利面的兩端，其中一個夾子可以旋轉，而另一個夾子可以通過向其另一端滑動而彎曲義大利面。另外，為了控制濕度和溫度對麵條的影響，樣品麵條都被存放在密封的容器中。

實際扭轉並折斷麵條的樣子，高速攝影；圖片來源於網路

實驗中，研究人員彎曲了數百根義大利面，並且用每秒高達100萬幀速度的高速攝像機記錄其碎裂的過程。他們發現，如果先把麵條扭轉360度，然後再慢慢地讓兩個夾子相互靠近，進而使其不斷彎曲直至斷裂，此時麵條則會剛好斷成完整的兩半。而且，該實驗結果對於兩種不同的義大利面是完全一致的。實驗中採用的兩種義大利面分別為百味來5號面（Barilla No. 5）和百味來7號面（Barilla No. 7），它們的寬度會略有不同。

與此同時，該研究的另一主要作者，來自麻省理工學院的應用數學家夏爾瑪?帕蒂爾（Vishal Patil）開發了一個數學模型，來解釋為何扭轉可以幫助義大利面成功斷裂成兩半。根據這個模型，麵條被扭轉之後，隨著斷裂的發生，扭轉的力會得以釋放，而這一過程將有助於減弱那些可能造成額外斷裂的力量。該模型的理論預測與實驗結果完全相符。

更多實際應用

艾爾沙德?庫多利（Arshad Kudrolli）是一位來自美國馬薩諸塞州伍斯特市克拉克大學的物理學家，他並沒有參與這項研究。他感嘆到:「這真的很神奇，一個小小的扭轉居然能從根本上改變問題的解決方法。」

這個數學模型還可以應用到許多其他類似的棒狀結構中，比如構成細胞內部骨架的微管，或是碳納米管纖維。目前，研究人員正在研究如何將該纖維融入到先進的複合材料中。