Kender du følgende situation? Du skal koge spaghetti. Gryden er for lille. Du bliver nødt til at knække de lange, rå stænger over i to.
Men idet du bøjer spaghettien, knækker den ikke i to. Den knækker i mange små dele.
Hvis du genkender scenariet, er du i dit køkken stødt på i et fænomen, som har optaget fysikere i årtier:
Hvorfor knækker spaghetti i langt de fleste tilfælde i flere dele end to? Og hvordan undgår man, at stængerne splintres i mange stykker?
I 1939 brugte en af det 20. århundredes førende fysikere, nobelprismodtager Richard Feynman, forgæves en aften på at knække pasta for at finde en teoretisk forklaring på fænomenet.
Først i 2005 fremsatte franske fysikere en teori, som forklarede, hvorfor spaghetti som regel knækker i flere dele. Det vender vi tilbage til
Spaghettiknæk i slowmotion (Illustration: MIT)
Studerende får gennembrud
Her får du først den nyeste udvikling i spaghetti-mysteriet:
En gruppe amerikanske studerende har endelig fundet en sikker metode til knække spaghetti i to.
Umiddelbart lyder det som resultatet af et lidt fjollet eksperiment, men de studerendes resultater er blevet publiceret i det meget anerkendte videnskabelige tidsskrift PNAS, og en dansk professor er begejstret.
»Det er et meget spændende studie. Lige siden Feynman sad hjemme i køkkenet og lavede sine eksperimenter med spaghetti, har vi kendt til paradokset om spaghettis knæk,« siger Mogens Høgh Jensen, der er professor i biokompleksitet på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.
»Jeg er ikke overrasket over, at de studerendes projekt er publiceret i så fint et tidsskrift, for det er ren grundforskning, som giver en forklaring på et af naturens fænomener,« fortsætter han.
Bølge får spaghetti til at splintres
De amerikanske studerende fra Massachusets Institute of Technology (MIT) har fundet ud af, at en spaghetti-stang knækker i to dele, hvis man vrider eller drejer den til et vist punkt i begge ender, hvorefter man knækker den.
De studerende har også opstillet en matematisk formel, som forklarer, hvordan det sker.
De MIT-studerende har filmet hundredvis spaghetti-stænger, der knækker, i slowmotion. De har brugt et kamera, der tager op til 100 billeder i sekundet. Her er deres optagelser af tør spaghetti, der går over i to, når det drejes og derefter bøjes.
For at forstå formlens hovedprincip er det nødvendigt at kende forklaringen på, at spaghetti oftest går over i flere dele, når man holder i enderne og knækker.
Her er den forklaring, franske fysikere kom frem til i 2005:
Når en lang, tynd og elastisk stang, for eksempel spaghetti, bliver bøjet jævnt fra begge ender, vil der opstå et brud i nærheden af midten, dér hvor stangen er mest buet.
»Bruddet udløser en vibration, som starter en bølge langs spaghettien tilbage mod enderne. Bølgebevægelsen medfører, at stangen går i stykker flere steder,« forklarer Mogens Høgh Jensen.
\ Pris for spaghettiforskning
De franske fysikere Basile Audoly og Sebastien Neukirch fik i 2006 den særlige Ig Nobel-pris for deres forskning i spaghetti-knæk.
Ig Nobel-prisen er en parodi på den rigtige Nobelpris. Den gives til forskning, der 'først får folk til at le, derefter til at tænke'.
Et vrid er løsningen
De studerende fra MIT tog i 2015 tråden op fra de franske forskere. Mange timer og et specialdesignet apparat brugte de til at knække spaghetti på forskellige måder for at finde en sikker metode til at knække stængerne over i to.
Efter at have knækket bunker af spaghetti, fandt de studerende frem til, at stængerne går over i to, når enderne bliver drejet et vist antal grader, hvorefter spaghettien bliver bøjet sammen.
»Udsvinget, der normalt vil opstå, når man knækker en spaghetti-stang, bliver mindre, når man drejer enderne først. Når et stykke spaghetti bliver drejet, bruger stangen den energi, der normalt vil blive udløst i en bølgebevægelse, til at rette sig ud,« forklarer Mogens Høgh Jensen.
Spagetti, der bliver vredet i enderne, samtidig med at det knækkes, sender altså ikke den bølgebevægelse, som normalt forårsager, at det knækkes i flere dele, tilbage fra bruddet på midten.
Derfor knækker stangen lige over i to dele.
Formel kan beregne drejning
De unge amerikanere har ikke bare vist, hvordan man undgår, at spaghetti går i mange stykker. De har også opstillet en formel, der kan bruges til at regne ud, hvor meget forskellige længder spaghetti-stænger skal drejes for at knække i to.
Hvis et stykke spaghetti på 25,4 centimeter (10 tommer) først drejes 270 grader og derefter bøjes, vil det knække i to, har de for eksempel regnet sig frem til.
Og hvad så, tænker du måske. Hvad kan man bruge det til?
Studiet har potentiale til at blive brugt i en række sammenhænge, forudser amerikanske forskere, der har hjulpet de studerende med spaghetti-eksperimentet. For eksempel til at forebygge brud på tynde stave fremstillet af elastiske materialer. Det kan være konstruerede nanorør.
»Det bliver spændende at se, om drejningen kan bruges til at kontrollere frakturdynamikken i todimensionelle og tredimensionelle materialer,« siger Jörn Dunkel, der er postdoc i fysisk anvendt matematik ved MIT i en pressemeddelelse.
\ Hvad skal vi med grundforskning?
Videnskab.dk satte i efteråret 2016 fokus på grundforskning:
- hvad skattekronerne går til,
- hvilke projekter der bliver lavet,
- hvem der står bag og
- hvad vi historisk set har fået ud af grundforskning.
Studiet er grundforskning
Først og fremmest giver det amerikanske spaghetti-studie dog en grundlæggende forståelse af, hvorfor og hvordan der opstår brud på stænger fremstillet af elastiske materialer.
»Det er grundforskning. I grundforskning er vi interesserede i at forstå, hvordan naturen hænger sammen, og hvordan naturens love fungerer. Lige nu er det svært at sige præcist, hvordan studiet kan bruges, men jeg er sikker på, at det nok skal blive anvendt på et tidspunkt,« siger Mogens Høgh Jensen.
»Man kan for eksempel forestille sig, at det kan bruges i en virksomhed, der har en maskine, som skal knække et materiale i to. Her kan formlen bruges til at beregne, hvordan man får et rent knæk,« fortsætter han.
Professoren studser ikke over, at forskerne bag spaghetti-gennembruddet 'bare' er studerende. Også på Niels Bohr Institutet står studerende bag projekter, der bliver publiceret i videnskabelige tidsskrifter, siger han. Læs mere om det i boksen under artiklen.
\ Læs mere
\ Studerende udfører små, men banebrydende eksperimenter
Eksperimenter som dem, de amerikanske studerende har foretaget med spaghetti, kaldes 'table-top-eksperimenter'. Det er små eksperimenter, der kan udføres uden dyrt og avanceret udstyr, men som alligevel er yderst værdifulde for videnskaben.
På Niels Bohr Institutet udfører studerende table-top eksperimenter i kælderen, fortæller Mogens Høgh Jensen.
»Vi sætter typisk unge studerende til at lave eksperimenter i forbindelse med deres speciale. Det kan være ganske komplekse fænomener, de studerer, og det er ikke atypisk, at der kommer videnskabelige publikationer ud af det,« siger professoren.
»Alle universiteter i verden foretager table-top eksperimenter. Det eneste, man har brug for, er et mikroskop, et godt kamera og noget, der kan udsende lyd,« fortsætter han.
Læs også: Fysiker vil hverve unge til kvanteforskningen
På Niels Bohr Institutet står studerende for eksempel bag table-top-eksperimenter med celler.
»Vi bruger meget energi på at påvirke levende celler. Det er på en lille skala, men man kan få store gennembrud ud af det,« siger Mogens Høgh Jensen.
En studerende fra Niels Bohr Institutet har allerede fået et mindre gennembrud ud af et table-top-eksperiment med stearin. Den studerende udviklede en matematisk model for, hvornår der opstår sprækker i størknet stearin. Et projekt, der ifølge Mogens Høgh Jensen gav en mere generel forståelse af sprækkedannelse i materiale.
Læs også: Ugens podcast: Hvorfor får Danmark ingen Nobelpriser?
