Игорь Иванов - Как ломаются спагетти и другие задачи по физике

В этой задаче можно увидеть связь еще с одним механическим явлением. Зададимся вопросом: какие, собственно, силы играют роль возвращающих в нашей задаче? Ответ прозвучит несколько неожиданно – это приливные силы со стороны Земли. Приливные силы как раз и возникают из-за неоднородности притяжения со стороны массивного объекта. Стандартное рассмотрение показывает, что эти силы действуют на тело (протяженное, не точечное!) так: они его растягивают вдоль направления на Землю и сплющивают – поперек. В нашем случае направление на Землю не важно, там все ограничено нитью. А вот сплющивание в горизонтальной плоскости как раз и порождает возвращающие силы. Обратите внимание, что приливные силы ощущаются не в фиксированной точке, а в ее окрестности. Именно поэтому приливные силы влияют на колеблющийся маятник, который в своем движении как бы прощупывает протяженную область пространства вблизи положения равновесия.

И напоследок – резкий прыжок на передний край физики, к недавно открытым гравитационным волнам. Когда гравитационная волна проходит сквозь тело, то она вызывает ровно такие же деформации, как и приливные силы. Условно говоря, гравитационные волны – это волны приливных деформаций, оторвавшиеся от источника и улетевшие прочь. Эта аналогия основывается на том, что поле деформаций метрики в гравитационной волне описывается ровно теми же компонентами тензора Римана, что и приливные силы от статического гравитационного поля. И тогда еще более наглядным становится тот факт, что гравитационные волны невозможно зарегистрировать в точке; для их регистрации нужен именно протяженный объект.

Даже в повседневных явлениях может скрываться нетривиальная физика. Один из примеров, ставший широко известным благодаря Ричарду Фейнману, – загадка ломающихся спагетти. Если взять тонкую спагеттину и аккуратно согнуть ее в дугу, не зажимая слишком сильно концы, а просто медленно сводя их друг с другом, то в какой-то момент спагеттина сломается. Странность заключается в том, что практически всегда она ломается не на две, а на три части (рис. 1), а иногда и больше. Концы обычно остаются в руках, а центральный кусочек, вращаясь, улетает прочь. Более того, если заснять этот процесс на скоростную камеру, выдающую тысячу кадров в секунду, мы увидим, что спагеттина ломается в двух или более местах практически одновременно. На одном кадре спагеттина еще целая, а на следующем мы уже видим все разломы.

Рис. 1.Изогнутая спагеттина ломается не в одном месте, а сразу в нескольких местах, причем эти разломы происходят практически одновременно. По фотографиям из популярной статьи [3] Vollmer M. and Möllmann K.-P. Feynmans Rätsel der brechenden Spaghetti // Physik in unserer Zeit, 2012, vol. 43, pp. 46-47. DOI: 10.1002/piuz.201290006.

Как так получается? Предположение, что это просто случайное совпадение двух разломов по времени, конечно, отметается. Вероятность такого точного совпадения для независимых событий очень мала. Да и к тому же если совпадение неизменно повторяется от раза к разу – то это уже закономерность, которая отражает некоторый физический процесс в ломающейся спагеттине и потому требует объяснения.

Кроме того, если взглянуть на правую схему на рис. 1, можно заметить, что средний обломок расположен относительно двух крайних кусочков спагеттины несимметрично: с одной стороны зазор намного шире, чем с другой. Это тоже не случайность; такая картина регулярно повторяется от раза к разу, а значит, тоже должна иметь объяснение.

Объясните, как получается, что изогнутая спагеттина ломается почти одновременно в двух или более местах. Глядя на рис. 1, выясните, какой из двух разломов произошел раньше, а также в какую сторону вращается центральный обломок.

Предостережение. Эта задача довольно известная, и в интернете можно найти немало страниц и видеороликов с объяснениями. Но поскольку она рассчитана на физическое чутье, а не на ваши поисковые способности, мы предлагаем подумать над ней самостоятельно. Даже если вы уже когда-то читали про нее, постарайтесь, никуда не заглядывая, построить достаточно убедительное для себя объяснение и с его помощью ответить на второй вопрос.

Подсказка 1

В описании задачи и в схемах на рис. 1 уже можно углядеть два намека.

Если два разлома не могут произойти независимо, значит, они как-то связаны друг с другом. Могут ли удаленные друг от друга части неподвижной спагеттины перед разломом заранее «договориться» в духе «Ломаемся тут и тут на счет раз-два-три!»? Нет, не могут, поскольку нагрузка статична. Поэтому то, что мы видим, – это результат динамического , быстро развивающегося во времени процесса. Разлом первоначально происходит в каком-то одном месте, там, где спагеттина оказывается наиболее хрупкой на изгиб. А вот сразу после этого запускается некий механический процесс, который каким-то образом порождает второй разлом. Вот этот процесс вам и надо описать.

Второй намек содержится в схемах. Видно, что обломки не просто разошлись друг от друга, они выпрямились , что, конечно, совершенно естественно. Может быть, именно в этом распрямлении кроется отгадка?

Подсказка 2

Возьмем на вооружение предыдущую подсказку и представим себе описанную в ней ситуацию (рис. 2). На изогнутой спагеттине произошел первый разлом. Произошел он не посередине, а где-то сбоку, там, где спагеттина наименее прочна на излом – ведь никто не гарантирует, что механические свойства спагетти будут совершенно одинаковы по всей длине и что первой поддастся именно середина. Две части, которые раньше составляли единую спагеттину и по которым передавалось механическое напряжение, теперь потеряли механический контакт друг с другом. Они оказались в очень неустойчивом изогнутом состоянии, но никто эту изогнутость не поддерживает с одного конца. Распрямляясь, оба конца начинают выходить из неустойчивого состояния.

Рис. 2.Сразу после первого разлома две неравные части спагеттины начинают выпрямляться, каждая в свою сторону

Подумайте, как именно будет протекать это распрямление на первых порах, какие этапы будут быстрые, а какие – медленные. Это поможет вам догадаться, как будет меняться с течением времени форма более длинного куска спагеттины и откуда берется второй разлом.