MC/EXP

Fizica unei tije casante

Răsucește înainte să rupi

Un fir uscat de spaghete, îndoit simplu, se rupe de obicei în cel puțin trei fragmente. În 73 de încercări publicate în PNAS, ruptura în două a devenit dominantă la unghiuri de răsucire mai mari de aproximativ 250 de grade.

Heisser și colaboratorii, PNAS, 2018 73 de încercări

Răsucire înainte de îndoire

270°

75% dintr-o rotație

Tijă de spaghetti prinsă și răsucită O tijă galbenă este prinsă între două cleme. Forma ei se schimbă odată cu unghiul ales.

Reprezentare conceptuală. Pragul și regiunile provin din experiment; forma și ritmul animației sunt explicative.

Unghiul intră în regiunea în care ruptura în două a dominat. Îndoaie tija pentru a vedea mecanismul.

Răspunsul scurt

Prima ruptură pornește o cursă

Când tija îndoită cedează, fiecare jumătate încearcă să se îndrepte. Eliberarea bruscă trimite o undă de încovoiere de-a lungul materialului. Unda poate mări local curbura peste limita de rupere, iar fisura următoare apare la o mică distanță de prima.

Acesta este mecanismul propus în 2005 de Basile Audoly și Sébastien Neukirch pentru cele trei sau patru fragmente familiare. Rupturile succesive formează o cascadă; ele nu se produc toate în același moment.

După prima fisură

Unda de torsiune ajunge prima

La răsucire mare, tija cedează la o curbură mai mică. Relaxarea torsiunii se propagă mai repede decât vârful periculos al undei de încovoiere și descarcă energia care ar fi alimentat o altă fisură.

Ce spune cifra

Pragul de 250 de grade descrie o regiune

În diagrama cu 73 de încercări, ruptura în două devine dominantă la unghiuri mai mari de aproximativ 250 de grade. Unghiul reprezintă circa 69% dintr-o rotație completă. Probele păstrează însă o răspândire a rezultatelor, mai ales în apropierea pragului.

De aceea, valoarea arată trecerea dintre două regimuri experimentale. O tijă luată din dulap poate răspunde diferit din cauza diametrului, compoziției, umidității, defectelor și felului în care o prinzi.

Ce s-a măsurat

O încercare controlată, cu spaghete din comerț

Lungime
20 de centimetri sau 24 de centimetri
Îndoire
capetele s-au apropiat cu mai puțin de 3 milimetri pe secundă
Prindere
capetele au fost fixate în cleme pentru a păstra torsiunea
Mediu
interval îngust de temperatură și umiditate

Modelul se potrivește tijelor lungi, subțiri și aproape cilindrice. Pastele plate au altă geometrie, iar experimentul nu stabilește un unghi universal pentru ele.

Intuiția răsturnată

Mai multă tensiune înainte poate lăsa mai puține fisuri după

Torsiunea adaugă energie tijei și, în același timp, schimbă felul în care energia pleacă după prima ruptură. Ordinea undelor contează la fel de mult ca forța cu care îndoi.

Încearcă alt unghi

Surse

Două studii, aceeași fisură privită în momente diferite

  1. Heisser, Patil, Stoop, Villermaux și Dunkel, Controlling fracture cascades through twisting and quenching, PNAS, 2018. Experimentul cu torsiune, diagrama de fază și modelul celor două unde.
  2. Audoly și Neukirch, Fragmentation of Rods by Cascading Cracks, Physical Review Letters, 2005. Explicația undei de încovoiere care poate declanșa fisurile următoare.