Se ti capita di avere una scatola di spaghetti nella tua dispensa, prova questo esperimento:tira fuori un singolo bastoncino di spaghetti e tienilo da entrambe le estremità. Ora piegalo finché non si rompe. Quanti frammenti hai realizzato? Se la risposta è tre o più, tira fuori un altro bastoncino e riprova. Riesci a spezzare la pasta in due? Altrimenti, sei in ottima compagnia.

La sfida degli spaghetti ha sconcertato anche personaggi del calibro del famoso fisico Richard Feynman '39, che una volta trascorse buona parte della serata spezzando la pasta e cercando una spiegazione teorica del perché i bastoncini si rifiutassero di spezzarsi in due.

L'esperimento della cucina di Feynman è rimasto irrisolto fino al 2005, quando i fisici francesi misero insieme una teoria per descrivere le forze all'opera quando gli spaghetti - e ogni tanto, asta sottile:è piegata. Hanno scoperto che quando un bastone viene piegato in modo uniforme da entrambe le estremità, si spezzerà vicino al centro, dove è più curvo. Questa rottura iniziale innesca un effetto "snap-back" e un'onda di flessione, o vibrazione, che frattura ulteriormente il bastone. La loro teoria, che ha vinto il Premio Ig Nobel 2006, sembrava risolvere l'enigma di Feynman. Ma rimaneva una domanda:gli spaghetti potrebbero mai essere costretti a spezzarsi in due?

La risposta, secondo un nuovo studio del MIT, è sì, con una svolta. In un articolo pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , i ricercatori riferiscono di aver trovato un modo per spezzare in due gli spaghetti, piegando e attorcigliando le tagliatelle secche. Hanno fatto esperimenti con centinaia di bastoncini di spaghetti, piegandoli e torcendoli con un apparato che hanno costruito appositamente per il compito. Il team ha scoperto che se un bastone viene ruotato oltre un certo grado critico, poi lentamente piegato a metà, lo farà, contro ogni previsione, spezzare in due.

I ricercatori affermano che i risultati potrebbero avere applicazioni oltre le curiosità culinarie, come migliorare la comprensione della formazione di cricche e come controllare le fratture in altri materiali simili a bastoncini come le strutture multifibra, nanotubi ingegnerizzati, o anche microtubuli nelle cellule.

"Sarà interessante vedere se e come la torsione potrebbe essere utilizzata in modo simile per controllare la dinamica di frattura di materiali bidimensionali e tridimensionali, " dice il co-autore Jörn Dunkel, professore associato di matematica applicata fisica al MIT. "In ogni caso, questo è stato un divertente progetto interdisciplinare iniziato e portato avanti da due studenti brillanti e persistenti, che probabilmente non vogliono vedere, rottura, o mangiare spaghetti per un po'."

I due studenti sono Ronald Heisser '16, ora studente laureato alla Cornell University, e Vishal Patil, uno studente laureato in matematica nel gruppo di Dunkel al MIT. I loro coautori sono Norbert Stoop, docente di matematica al MIT, ed Emmanuel Villermaux dell'Université Aix Marseille.

Un tuffo nel piatto profondo

Heisser, insieme al partner di progetto Edgar Gridello, originariamente ha raccolto la sfida di spezzare gli spaghetti nella primavera del 2015, come progetto finale per 18.354 (Nonlinear Dynamics:Continuum Systems), un corso tenuto da Dunkel. Avevano letto dell'esperimento in cucina di Feynman, e si chiedeva se gli spaghetti potessero in qualche modo essere spezzati in due e se questa spaccatura potesse essere controllata.

"Hanno fatto alcuni test manuali, provato varie cose, e mi è venuta l'idea che quando ha attorcigliato gli spaghetti molto forte e ha unito le estremità, sembrava funzionare e si è rotto in due pezzi, "Dunkel dice. "Ma devi girare davvero forte. E Ronald ha voluto indagare più a fondo".

Così Heisser ha costruito un dispositivo di frattura meccanica per torcere e piegare in modo controllabile bastoncini di spaghetti. Due morsetti su entrambe le estremità del dispositivo tengono in posizione un bastoncino di spaghetti. Un morsetto a un'estremità può essere ruotato per torcere la pasta secca di vari gradi, mentre l'altra pinza scorre verso la pinza attorcigliatrice per unire le due estremità degli spaghetti, piegando il bastone.

Heisser e Patil hanno usato il dispositivo per piegare e torcere centinaia di bastoncini di spaghetti, e ha registrato l'intero processo di frammentazione con una telecamera, fino a un milione di fotogrammi al secondo. Alla fine, hanno scoperto che girando prima gli spaghetti a quasi 360 gradi, poi avvicinando lentamente i due morsetti per piegarlo, il bastone si spezzò esattamente in due. I risultati sono stati coerenti su due tipi di spaghetti:Barilla n. 5 e Barilla n. 7, che hanno diametri leggermente diversi.

noodle twist

In parallelo, Patil iniziò a sviluppare un modello matematico per spiegare come la torsione può spezzare un bastone in due. Per fare questo, ha generalizzato il lavoro precedente degli scienziati francesi Basile Audoly e Sebastien Neukirch, che sviluppò la teoria originale per descrivere l'"effetto snap-back, " in cui un'onda secondaria causata dalla rottura iniziale di un bastone crea ulteriori fratture, facendo in modo che gli spaghetti si spezzino principalmente in tre o più frammenti.

Patil ha adattato questa teoria aggiungendo l'elemento della torsione, e ho osservato come la torsione dovrebbe influenzare le forze e le onde che si propagano attraverso un bastone mentre viene piegato. Dal suo modello, ha scoperto che, se un bastoncino di spaghetti lungo 10 pollici viene prima ruotato di circa 270 gradi e poi piegato, si spezzerà in due, principalmente per due effetti. Il ritorno a scatto, in cui il bastone ricadrà nella direzione opposta da cui è stato piegato, si indebolisce in presenza di torsione. E, la torsione indietro, dove il bastoncino si svolgerà essenzialmente alla sua configurazione raddrizzata originale, rilascia energia dall'asta, prevenire ulteriori fratture.

"Una volta che si rompe, hai ancora uno snap-back perché la canna vuole essere dritta, " spiega Dunkel. "Ma non vuole nemmeno essere contorto".

Proprio come lo snap-back creerà un'onda di piegatura, in cui il bastone oscillerà avanti e indietro, lo svolgimento genera una "onda di torsione, " dove il bastone essenzialmente si avvita avanti e indietro fino a quando non si ferma. L'onda di torsione viaggia più velocemente dell'onda di flessione, dissipare energia in modo che ulteriori accumuli di stress critico, che potrebbero causare successive fratture, non si verificano.

"Ecco perché non hai mai questa seconda pausa quando giri abbastanza forte, "Dunkel dice.

Il team ha scoperto che le previsioni teoriche di quando un bastoncino sottile si spezzerebbe in due pezzi, contro tre o quattro, abbinato alle loro osservazioni sperimentali.

"Presi insieme, i nostri esperimenti e risultati teorici migliorano la comprensione generale di come la torsione influenzi le cascate di frattura, "Dunkel dice.

Per adesso, dice che il modello riesce a prevedere quanto la torsione e la flessione si romperanno a lungo, magro, bastoncini cilindrici come gli spaghetti. Per quanto riguarda gli altri tipi di pasta?

"Linguini è diverso perché è più simile a un nastro, "Dunkel dice. "Il modo in cui il modello è costruito si applica a canne perfettamente cilindriche. Anche se gli spaghetti non sono perfetti, la teoria cattura abbastanza bene il suo comportamento alla frattura, "