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一锅意大利面,能水出多少篇论文?

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一锅意大利面,能水出多少篇论文?

果壳 果壳 15天前 08:27

意大利面,我们平日里再熟悉不过的食物,在物理学家眼中却不该只在餐桌上出现,它有着相当独特的物理性质,不放在实验室里好好研究一下就太可惜了。


人类终于把意大利面折成两段啦!


大物理学家费曼曾经随手折断了几根生的意面,却意外地发现意面会折成三节或者更多节,而从来没有折断成两节。


他找来更多意面,捏住意面的两端后弯折直至断裂,如此尝试了很多次,仍然没法把意面折断成恰好两节。他把这个发现写进了日记里,在长达数十年的时间里,这个现象一直没有得到很好的解释。


费曼的困惑:如何把一根意面折断成恰好两段?


直到2005年,问题的解决终于出现了曙光。法国的两位物理学家Basile Audoly和S´ebastien Neukirch研究了意面折断的动力学原理,对断成多节的现象给出了理论解释。


在意面的两端施加压力,它会在中间弯曲度最大的位置折断。因为惯性,断裂后的意面会向反方向弯曲,直至恢复笔直。弯曲状态在极短时间内发生变化,会在意面中激发强烈的振动波,从而进一步使面条断裂成更多节。


这一过程在力学中被称为级联断裂(fracture cascade,英文字面意思为“断裂瀑布”,形容断裂在振动波作用下像瀑布一样连绵不断)。这项关于意面的研究让两位物理学家荣获2006年的搞笑诺贝尔物理学奖。


高速摄像机拍摄的意面弯曲后的断裂过程


知道不能断成两节的原理后,能不能在这个基础上,让意面能确实断裂成两段呢?


又等到了2018年,分别来自康奈尔大学和麻省理工学院的两位研究生Ronald Heisser与Vishal Patil发现了将意面折断成恰好两段的方法:扭转(twist)和“淬灭”(quench)。


为研究意面断裂专门设计的仪器


两位研究生设计了一个特殊的仪器——仪器的两个夹子固定意面的两端,一端可以通过旋转将意面扭转一定角度,另一端可以自由滑动使意面弯曲。


他们用高速摄像机以每秒100万帧的速度记录了意面扭转后的断裂过程,最终发现意面在扭转超过250°这个临界角度后基本只会断裂成两段。


大角度扭转后的意面断裂成两段

(上图为实验记录,下图为软件模拟)


Patil从理论角度解释了扭转能改变意面断裂方式的原因:和弯曲状态改变产生振动波(不妨简称“弯曲波”)的原理类似,意面从扭转的状态恢复成原状会产生“扭转波”,扭转的角度足够大,扭转波足以抑制弯曲波的传播,不再引发级联断裂。


扭转角度为100°,意面仍然会断裂成多段


另一种将意面折断成恰好两段的方法叫做淬灭,简单来说就是减速,温水煮青蛙,慢夹折意面。


实验结果表明,意面在弯折速度较快的情况下,更容易折断成多截,那我们只要够慢,就能让意面折成两段。


以5毫米/秒(图A)和300毫米/秒(图B)的速度

弯曲意面的对比


煮出口感最佳的意大利面!


除了费尽功夫折意面,物理学家还会带着做研究的架势去煮意面。


来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究者Sameh Tawfick就带领团队研究了煮面过程中意面的膨胀、软化、粘结等物理变化,建立了意面的膨胀动力学模型,并用实验验证了该模型。


他们把装有蒸馏水的烧杯放在加热板上加热,待水达到一定温度后,将两根平行的意面面条垂直放入水中,每隔一段时间记录一次面条的变化。


煮意大利面的实验方法 


在热水中,面条经历了吸湿膨胀(hygroscopic swelling)的物理过程,水分子进入面条内部后,面条也随之膨胀。


将面条简单视为圆柱体,膨胀主要体现在径向和轴向上:径向膨胀就是面条变“粗”了,轴向膨胀则是面条变“长”了。在完全煮烂前,面条两个方向上的膨胀有定量关系,径向的膨胀大约是轴向的3.5倍。


水中的意面在径向和轴向的膨胀 


生活经验告诉我们,越胀的面就越软,越影响口感,硬度正是影响面条口感的关键因素。


意大利语中,意面最理想的口感叫做“al dente”,字面意思是“直至牙齿”,指的就是面条煮到“内硬外软”的效果。


为了分析怎么才能达到“al dente”,研究人员使用了动态力学分析仪测量了面条的杨氏模量。


杨氏模量的定义是弹性材料所受应力和发生形变的比值。简单来说,一根面条的杨氏模量越大,想要把它拉长需要的力也就越大,面条越不容易发生形变。


动态力学分析仪测量意面的杨氏模量


容易想见,煮面的时间越久,面条吸水变软,杨氏模量应该会不断降低,实验结果也与经验常识完全相符。


根据杨氏模量的变化趋势,研究人员将煮面分为三个阶段:


第一阶段,意面基本保持原先状态,杨氏模量变化较小;


第二阶段,意面从玻璃态转变为橡胶态,杨氏模量会在短短几分钟内迅速下降几个数量级(通俗地说,意面在这个阶段软的特别快);


第三阶段,杨氏模量缓慢降低,意面最终变成完全煮烂的状态。


意面的杨氏模量随时间下降,红色和黑色分别代表水温100℃和80℃

曲线为理论预测值,点为实验测量值


所以,如果能边煮面边测量杨氏模量,就能很方便地在面条煮烂之前把它捞起来。


对于家里没有专业仪器的大家,物理学家也给出了杨氏模量外的替代方案:看意面粘不粘。


在实验中,将两根煮过的面条从水中捞出,可以发现有一段面条会粘结在一起。这是因为面条间有残余的水分,形成的弯曲液面在表面张力的作用下连结了两根面条。


两根意面在水的表面张力作用下连结


研究人员发现,煮面的时间越久,两根面条之间粘结的长度就会越长。煮面的经验也告诉我们,面条煮太久就“坨”了,相互粘结在一块,吃起来都费劲。


在测量了粘结长度随时间的变化趋势后,研究者提出了判断意面口感的“建议”:煮面时可以取出两根面条,用尺测量粘结长度,以此判断有没有煮到“al dente”的状态。


煮面的时间越久,两根面条之间粘结的长度越长 


研究者还表示,“煮面时间相同,但煮面水里加盐量不同”,会影响面条内部的水分子迁移,从而影响面条的杨氏模量和口感。因此,比起“计时煮面的时间”,“用尺子量面条粘结长度”会是更可靠的方法。


怎么说呢,这些建议都,未来可期吧……至少我还是宁愿用嘴尝而不是用尺量_(:з」∠)_


意大利面的奇妙比喻


物理学家对意面的兴趣并不止于面条本身的物理性质,因为意面弯弯曲曲的形状,物理学家还会把某些物理图像比喻为意面,让晦涩难懂的物理概念显得形象生动。


一颗中等质量恒星在经历数十亿年的演化后,会发生极其剧烈的超新星爆炸,并最终坍缩为中子星。中子星的质量能达到太阳的数十倍,体积却被挤压成只有一个城市的大小,具有极高的密度。


中子星密度极高,周围伴有极强的磁场 | Wikimedia Commons


来自伊利诺伊州立大学的助理教授Matthew Caplan 与合作伙伴通过计算机模拟了中子星内部可能的结构图像,并将这些结构形象地比喻为“核面食”(nuclear pasta):


泡沫状分布结构比作意大利团子,长条状结构比作意大利面,有孔的多层平行结构比作华夫饼,没有孔的比作千层面等等。这些结构会随中子星内部压力变化而相互转变。


中子星壳层的结构被比作多种意大利面食


不仅是中子星,在另一种致密天体——黑洞的研究中也出现了意大利面的比喻。物体在强大的非均匀引力场作用下(比如接近黑洞),形状会变得非常细长,因为变形后形似意大利面,所以这一过程被称为“意大利面化”(Spaghettification)。


以人体被黑洞吞噬的场景为例,人体的脚离黑洞最近,头离黑洞最远,因此脚受到的引力要比头部受到的更大。同时,双臂与人体的头和脚并不处于同一方向上,受到的引力会将双臂向中间吸引。


如此一来,身体在垂直方向拉伸、在水平方向压缩,人体最终就变成了像面条一样的细长条。大家在天文科普中看到宇航员在黑洞附近被拉长的经典图片,正是人体意大利面化的假想图象。


人体被黑洞面条化的假象场景 | NASA


上至浩瀚宇宙日月星辰,下至锅碗瓢盆柴米油盐,能在跨度如此之大的领域中同时发现意大利面的身影,这就是物理学的趣味和浪漫啊。

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