Om du råkar ha en låda med spagetti i ditt skafferi, prova detta experiment:Dra ut en enda spagettipinne och håll den i båda ändarna. Böj den nu tills den går sönder. Hur många fragment gjorde du? Om svaret är tre eller fler, dra ut en annan pinne och försök igen. Kan du bryta nudeln i två? Om inte, du är i mycket gott sällskap.

Spaghettiutmaningen har flummoxat även den som den berömda fysikern Richard Feynman '39, som en gång tillbringade en stor portion av en kväll med att bryta pasta och letade efter en teoretisk förklaring till varför pinnarna vägrade knäppa i två.

Feynmans köksexperiment förblev olöst till 2005, när fysiker från Frankrike sammanfogade en teori för att beskriva krafterna som fungerar när spagetti - och hur länge som helst, tunn stav - är böjd. De fann att när en pinne är böjd jämnt från båda ändar, det kommer att gå sönder nära centrum, där den är mest böjd. Denna första paus utlöser en "snap-back" -effekt och en böjningsvåg, eller vibrationer, som ytterligare bryter pinnen. Deras teori, som vann Ig Nobelpriset 2006, verkade lösa Feynmans pussel. Men en fråga återstod:Kan spaghetti någonsin tvingas bryta i två?

Svaret, enligt en ny MIT -studie, är ja - med en twist. I en artikel publicerad i veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences , forskare rapporterar att de har hittat ett sätt att bryta spagetti i två, genom att både böja och vrida de torra nudlarna. De utförde experiment med hundratals spagettipinnar, böja och vrida dem med en apparat som de byggt specifikt för uppgiften. Teamet fann att om en pinne vrids förbi en viss kritisk grad, böjde sig sedan långsamt till hälften, Det kommer, mot alla odds, bryta i två.

Forskarna säger att resultaten kan ha tillämpningar bortom kulinariska nyfikenheter, som att öka förståelsen för sprickbildning och hur man kontrollerar frakturer i andra stavliknande material som multifiberstrukturer, konstruerade nanorör, eller till och med mikrotubuli i celler.

"Det kommer att bli intressant att se om och hur vridning på liknande sätt kan användas för att styra sprickdynamiken för tvådimensionella och tredimensionella material, "säger medförfattaren Jörn Dunkel, docent i fysisk tillämpad matematik vid MIT. "Hur som helst, detta har varit ett roligt tvärvetenskapligt projekt som startats och genomförts av två lysande och ihärdiga studenter - som förmodligen inte vill se, ha sönder, eller äta spaghetti ett tag. "

De två studenterna är Ronald Heisser '16, nu doktorand vid Cornell University, och Vishal Patil, en matematik doktorand i Dunkels grupp vid MIT. Deras medförfattare är Norbert Stoop, matematiklärare på MIT, och Emmanuel Villermaux från Université Aix Marseille.

Ett djupt maträttsdyk

Heisser, tillsammans med projektpartnern Edgar Gridello, tog ursprungligen utmaningen att bryta spaghetti våren 2015, som ett slutprojekt för 18.354 (Nonlinear Dynamics:Continuum Systems), en kurs som undervisas av Dunkel. De hade läst om Feynmans köksexperiment, och undrade om spaghetti på något sätt kunde delas i två och om denna splittring kunde kontrolleras.

"De gjorde några manuella tester, provat olika saker, och kom på en idé att när han vridde spagettin riktigt hårt och tog ihop ändarna, det verkade fungera och det bröt i två delar, "Dunkel säger." Men du måste vrida riktigt starkt. Och Ronald ville undersöka djupare. "

Så Heisser byggde en mekanisk sprickanordning för att styra vrida och böja spagettstänger. Två klämmor i vardera änden av enheten håller en spaghetti på plats. En klämma i ena änden kan roteras för att vrida den torra nudeln i olika grader, medan den andra klämman glider mot den vridande klämman för att få ihop de två ändarna av spagettin, böja pinnen.

Heisser och Patil använde enheten för att böja och vrida hundratals spagettipinnar, och spelade in hela fragmenteringsprocessen med en kamera, upp till en miljon bilder per sekund. I slutet, de fann att genom att först vrida spagettin i nästan 360 grader, sedan långsamt föra ihop de två klämmorna för att böja den, pinnen knäppte exakt i två. Resultaten var överensstämmande över två typer av spagetti:Barilla nr 5 och Barilla nr 7, som har lite olika diametrar.

Nudel twist

Parallellt, Patil började utveckla en matematisk modell för att förklara hur vridning kan knäppa en pinne i två. Att göra detta, han generaliserade tidigare arbete av de franska forskarna Basile Audoly och Sebastien Neukirch, som utvecklade den ursprungliga teorin för att beskriva "snap-back-effekten, "där en sekundär våg orsakad av en picks första brytning skapar ytterligare frakturer, vilket får spagetti att mestadels knäppas i tre eller flera fragment.

Patil anpassade denna teori genom att lägga till elementet vridning, och tittade på hur vridning bör påverka alla krafter och vågor som sprider sig genom en pinne när den är böjd. Från hans modell, han fann att om en 10 tum lång spaghettipinne först vrids med cirka 270 grader och sedan böjs, det går i två, främst på grund av två effekter. Snap-back, i vilken stickan kommer att springa tillbaka i motsatt riktning från vilken den var böjd, försvagas i närvaro av vridning. Och, vridningen, där stickan i princip kommer att varva ner till sin ursprungliga uträtade konfiguration, frigör energi från stången, förhindra ytterligare frakturer.

"När det går sönder, du har fortfarande en snap-back eftersom stången vill vara rak, "Förklarar Dunkel." Men det vill inte heller vridas. "

Precis som snap-backen kommer att skapa en böjningsvåg, där pinnen kommer att vingla fram och tillbaka, avvecklingen genererar en "vridvåg, "där pinnen i huvudsak korkskruvar fram och tillbaka tills den kommer att vila. Twistvågan rör sig snabbare än böjningsvågan, tappar energi så att ytterligare kritisk stress ackumuleras, som kan orsaka efterföljande frakturer, förekommer inte.

"Det är därför du aldrig får den här andra pausen när du vrider tillräckligt hårt, "Säger Dunkel.

Teamet fann att de teoretiska förutsägelserna om när en tunn pinne skulle knäppas i två delar, mot tre eller fyra, matchade med deras experimentella observationer.

"Tagen tillsammans, våra experiment och teoretiska resultat främjar den allmänna förståelsen för hur vridning påverkar frakturkaskader, "Säger Dunkel.

Tills vidare, han säger att modellen lyckas förutsäga hur vridning och böjning kommer att bryta länge, tunn, cylindriska stavar som spagetti. När det gäller andra pastasorter?

"Linguini är annorlunda eftersom det är mer som ett band, "Säger Dunkel." Så som modellen är konstruerad gäller den perfekt cylindriska stavar. Även om spagetti inte är perfekt, teorin fångar sitt sprickbeteende ganska bra, "