Si vous avez une boîte de spaghettis dans votre garde-manger, essayez cette expérience :sortez un seul bâton de spaghetti et tenez-le aux deux extrémités. Maintenant, pliez-le jusqu'à ce qu'il se casse. Combien de fragments as-tu fait ? Si la réponse est trois ou plus, retirez un autre bâton et réessayez. Pouvez-vous casser la nouille en deux ? Si non, vous êtes en très bonne compagnie.

Le défi des spaghettis a déconcerté même le célèbre physicien Richard Feynman '39, qui a passé une bonne partie d'une soirée à casser des pâtes et à chercher une explication théorique pour expliquer pourquoi les bâtons refusaient de se casser en deux.

L'expérience de cuisine de Feynman est restée non résolue jusqu'en 2005, quand des physiciens de France ont reconstitué une théorie pour décrire les forces à l'œuvre lorsque les spaghettis - et tout le temps, tige mince—est pliée. Ils ont découvert que lorsqu'un bâton est plié uniformément des deux extrémités, il se brisera près du centre, où il est le plus courbé. Cette cassure initiale déclenche un effet "snap-back" et une vague de flexion, ou vibrations, cela fracture davantage le bâton. Leur théorie, qui a remporté le prix Ig Nobel 2006, semblait résoudre l'énigme de Feynman. Mais une question demeurait :les spaghettis pourraient-ils jamais être contraints à se briser en deux ?

La réponse, selon une nouvelle étude du MIT, est oui, avec une torsion. Dans un article publié cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les chercheurs rapportent qu'ils ont trouvé un moyen de casser les spaghettis en deux, en pliant et en tordant les nouilles sèches. Ils ont mené des expériences avec des centaines de bâtonnets de spaghetti, les plier et les tordre avec un appareil qu'ils ont construit spécialement pour la tâche. L'équipe a découvert que si un bâton est tordu au-delà d'un certain degré critique, puis lentement plié en deux, ce sera, contre toute attente, rompre en deux.

Les chercheurs disent que les résultats peuvent avoir des applications au-delà des curiosités culinaires, telles que l'amélioration de la compréhension de la formation des fissures et la façon de contrôler les fractures dans d'autres matériaux en forme de tige tels que les structures multifibres, nanotubes fabriqués, voire des microtubules dans les cellules.

"Il sera intéressant de voir si et comment la torsion pourrait être utilisée de manière similaire pour contrôler la dynamique de rupture des matériaux bidimensionnels et tridimensionnels, " déclare le co-auteur Jörn Dunkel, professeur agrégé de mathématiques physiques appliquées au MIT. "Dans tous les cas, cela a été un projet interdisciplinaire amusant lancé et réalisé par deux étudiants brillants et persévérants - qui ne veulent probablement pas voir, Pause, ou manger des spaghettis pendant un moment."

Les deux étudiants sont Ronald Heisser '16, maintenant étudiant diplômé à l'Université Cornell, et Vishal Patil, un étudiant diplômé en mathématiques dans le groupe de Dunkel au MIT. Leurs co-auteurs sont Norbert Stoop, professeur de mathématiques au MIT, et Emmanuel Villermaux de l'Université Aix Marseille.

Une plongée profonde

Heisser, avec le partenaire du projet Edgar Gridello, a initialement relevé le défi de casser des spaghettis au printemps 2015, comme projet final pour 18.354 (Nonlinear Dynamics:Continuum Systems), un cours enseigné par Dunkel. Ils avaient lu l'expérience de la cuisine de Feynman, et se demandait si les spaghettis pouvaient d'une manière ou d'une autre être brisés en deux et si cette division pouvait être contrôlée.

"Ils ont fait des tests manuels, essayé diverses choses, et a eu l'idée que lorsqu'il a tordu les spaghettis très fort et a réuni les extrémités, ça a semblé fonctionner et ça s'est cassé en deux morceaux, " Dit Dunkel. "Mais il faut tordre très fort. Et Ronald voulait enquêter plus en profondeur."

Heisser a donc construit un dispositif de fracture mécanique pour tordre et plier de manière contrôlée des bâtons de spaghetti. Deux pinces à chaque extrémité de l'appareil maintiennent un bâton de spaghetti en place. Une pince à une extrémité peut être tournée pour tordre la nouille sèche à divers degrés, tandis que l'autre pince glisse vers la pince de torsion pour rapprocher les deux extrémités des spaghettis, plier le bâton.

Heisser et Patil ont utilisé l'appareil pour plier et tordre des centaines de bâtonnets de spaghetti, et enregistré l'ensemble du processus de fragmentation avec une caméra, jusqu'à un million d'images par seconde. À la fin, ils ont découvert qu'en tournant d'abord les spaghettis à près de 360 ​​degrés, puis rapprocher lentement les deux pinces pour le plier, le bâton s'est cassé exactement en deux. Les résultats étaient cohérents pour deux types de spaghettis :Barilla n°5 et Barilla n°7, qui ont des diamètres légèrement différents.

Torsion de nouilles

En parallèle, Patil a commencé à développer un modèle mathématique pour expliquer comment la torsion peut casser un bâton en deux. Pour faire ça, il a généralisé les travaux antérieurs des scientifiques français Basile Audoly et Sébastien Neukirch, qui a développé la théorie originale pour décrire "l'effet de retour en arrière, " dans laquelle une onde secondaire provoquée par la rupture initiale d'un bâton crée des fractures supplémentaires, provoquant la rupture des spaghettis en trois fragments ou plus.

Patil a adapté cette théorie en ajoutant l'élément de torsion, et examiné comment la torsion devrait affecter les forces et les ondes se propageant à travers un bâton lorsqu'il est plié. De son modèle, il a trouvé ça, si un bâton de spaghetti de 10 pouces de long est d'abord tordu d'environ 270 degrés puis plié, il se cassera en deux, principalement à cause de deux effets. Le snap-back, dans lequel le bâton rebondira dans la direction opposée à laquelle il a été plié, est affaibli en présence de torsion. Et, le retour en arrière, où le bâton se déroulera essentiellement dans sa configuration redressée d'origine, libère l'énergie de la tige, prévenir des fractures supplémentaires.

"Une fois qu'il casse, vous avez toujours un snap-back car la tige veut être droite, " explique Dunkel. " Mais il ne veut pas non plus être tordu. "

Tout comme le snap-back créera une vague de flexion, dans lequel le bâton oscillera d'avant en arrière, le déroulement génère une « onde de torsion, " où le bâton tire essentiellement d'avant en arrière jusqu'à ce qu'il s'immobilise. L'onde de torsion se déplace plus rapidement que l'onde de flexion, dissiper l'énergie de sorte que des accumulations de contraintes critiques supplémentaires, qui pourraient provoquer des fractures ultérieures, ne se produisent pas.

"C'est pourquoi vous n'obtenez jamais cette deuxième pause lorsque vous vous tordez assez fort, " dit Dunkel.

L'équipe a découvert que les prédictions théoriques du moment où un bâton mince se briserait en deux morceaux, contre trois ou quatre, correspond à leurs observations expérimentales.

"Pris ensemble, nos expériences et nos résultats théoriques font progresser la compréhension générale de la façon dont la torsion affecte les cascades de fractures, " dit Dunkel.

Pour l'instant, il dit que le modèle réussit à prédire comment la torsion et la flexion se briseront longtemps, mince, tiges cylindriques telles que des spaghettis. Quant aux autres types de pâtes ?

"Linguini est différent parce que c'est plus comme un ruban, " Dit Dunkel. " La façon dont le modèle est construit s'applique à des tiges parfaitement cylindriques. Bien que les spaghettis ne soient pas parfaits, la théorie capture assez bien son comportement de rupture, "