За достижения, которые сначала вызывают смех, а затем – раздумья
 яйцо под давлением  Джозеф Э. Бонавиа (Joseph E. Bonavia)  Стивен Рудольф (Stephen Rudolph)  Хадсон Борха да Роша (Hudson Borja da Rocha)  С. Киана Нагибзаде (S. Kiana Naghibzadeh)  Таль Коэн (Tal Cohen) | Автомобиль Алкоголь Вера
Война Волосы Врачи
Геометрия Дети Женщины
Животные Запах Звук
Здоровье Кино Кладбище
Книга Космос Кофе Кошка
Лицо Мозг Мужчины
Музей Музыка Насекомые Общество Пенис
Предметы Продукты Психология
Птицы Разное Растения Секс Собака
Спорт Суд Техника Туалет
Финансы Цвет Экскременты /Реклама/ Оспаривание общепринятых представлений о том, как разбиваются яйцарезультат противоречит общепринятому мнению о том, что яйцо «прочнее» в вертикальном направлении Сухиб Абу-Кбейта (Suhib Abu-Qbeitah), Тель-Авивский университет, Израиль, Энтони Сутанто (Antony Sutanto), Авишай Есельсон (Avishai Jeselsohn), Брендан М. Уникевич (Brendan M. Unikewicz), Джозеф Э. Бонавиа (Joseph E. Bonavia), Стивен Рудольф (Stephen Rudolph), Хадсон Борха да Роша (Hudson Borja da Rocha), С. Киана Нагибзаде (S. Kiana Naghibzadeh), Таль Коэн (Tal Cohen), Массачусетский технологический институт, США, "Оспаривание общепринятых представлений о том, как разбиваются яйца, и роли прочности и вязкости", "Физика коммуникаций" (Communications Physics), 8, 182, (2025). Введение В «Путешествиях Гулливера» Джонатана Свифта империи Лилипутии и Блефуску спорят о том, как лучше всего разбить яйцо. Идеи, закаленные столетиями приверженности и поколениями повторений, породили независимую общепринятую мудрость в обоих обществах. В нашем обществе существует схожая идея «здравого смысла» о лучшей ориентации для падения яйца. Такие идеи о прочности скорлупы имеют последствия, выходящие за рамки куриного яйца. В природе структуры скорлупы повсеместно встречаются, выступая в качестве защитных слоев для мягкотелых организмов: панцирей черепах и морских раковин, человеческих черепов и даже внешних мембран вирусов и бактерий. Таким образом, понимание механического разрушения этих структур может способствовать прогрессу во множестве приложений, начиная от проектирования защитного оборудования и заканчивая доставкой лекарств. По этой причине в классах по естественным наукам по всему миру педагоги используют задачу «падение яйца», чтобы познакомить молодых учеников с основными идеями структурной механики и удара, а также развить их физическую интуицию. В этой задаче командам предоставляются материалы, такие как ватные шарики, пластиковые пакеты и соломинки, для разработки устройства, которое не дает яйцу треснуть при падении с определенной высоты. Обзор учебных материалов из различных учреждений и онлайн-уроков показывает, что, хотя такие факторы, как предоставленные материалы, высота падения и конструкционные решения, сильно различаются, один аспект остается в значительной степени неоспоримым: идея о том, что яйцо «прочнее», когда ориентировано вертикально, а не горизонтально, и, следовательно, менее вероятно, что оно разобьется. Эта идея, по-видимому, основана на обращении к здравому смыслу, часто вдохновленному непреходящим дизайном структурных арок и куполов от древних цивилизаций до наших дней. Может показаться очевидным, что это понятие применимо и к конструкции яйца, но так ли это? В этой работе, разбив в общей сложности более 200 яиц и используя высокоточные приборы для регистрации их реакции как в статических, так и в динамических условиях, а также численное моделирование, мы отвечаем на этот вопрос. Благодаря нашим статическим испытаниям мы обнаружили, что пиковая сила, необходимая для разбивания яйца, не зависит от ориентации, но из-за сниженной жесткости в горизонтальной ориентации яйцо может поглотить больше кинетической энергии перед разрушением. Эти результаты проверяются с помощью серии испытаний на падение, которые показывают сниженную вероятность разрушения в горизонтальной ориентации, и с помощью серии статических и динамических числовых симуляций простой структуры яйца. Выбор и измерение яиц Яйца приобрели в картонных коробках по 60 яиц. Измеряли длину с помощью цифрового штангенциркуля TOL-10997 с точностью 0,02 мм. Толщина яичной скорлупы измерена с помощью цифрового микрометра Mitutoyo H-2780 с точностью 0,001 мм. Масса измерена с помощью лабораторных весов Bonvoisin с точностью 0,01 г. Рассчитали, что средняя длина составила 56 мм, средняя ширина - 44 мм, а средняя масса - 59 г. Физические эксперименты Использовали универсальную испытательную машину Instron 5943 для измерения силы в статических и динамических испытаниях, а также для контроля смещения в статических испытаниях. Точность отслеживания смещения составляет 0,01 мм, а разрешение для измерения нагрузки - 0,05 Н. Испытания на статическое сжатие Для испытаний поместили одно яйцо на неподвижную плиту, а затем сжали его, перемещая верхнюю плиту, которая соединена с датчиком нагрузки 1 кН. Ориентировали яйца в одном из двух направлений, вертикальном или горизонтальном. Во время испытаний программное обеспечение BlueHill регистрировало силы реакции, время и смещение подвижной плиты со скоростью 10 мм/мин до и после растрескивания яйца. 
Испытания на падение В отличие от статических испытаний на сжатие мы закрепили датчик нагрузки 1 кН на нижней пластине, а программное обеспечение Bluehill было настроено на регистрацию силы с частотой дискретизации 1 кГц. Мы сбрасывали яйца в трех разных ориентациях: горизонтально на их экваторе, вертикально на их остром конце и вертикально на их тупом конце. 20 яиц протестированы в каждой ориентации, и процедура падения повторена на высоте 8,0 мм, 9,0 мм и 10,0 мм. Всего протестировано 180 яиц. Треснувшие яйца выявлены с помощью анализа кривых силы-времени, записанных системой Instron, и последующего визуального осмотра. Резкое падение силы интерпретировано как событие трещины. И наоборот, если яйцо подпрыгивало, яйцо, скорее всего, было целым, хотя некоторые треснули. Чтобы обеспечить точность, визуально осмотрели все яйца на наличие микротрещин. Если обнаруживали трещину, яйцо классифицировалось как треснувшее. Результаты и обсуждение Пиковая сила не зависит от ориентации Способность яйца выдерживать статические нагрузки может дать представление о его способности противостоять удару. Поэтому в качестве первого шага провели 60 испытаний на сжатие, чтобы определить, влияет ли горизонтальное или вертикальное расположение яйца на максимальную силу, которую оно может выдержать до растрескивания. Помещаем яйцо на нижнюю пластину универсальной механической испытательной машины. Затем контролируем смещение верхней пластины, сжимая яйцо, одновременно регистрируя силу. Реакция силы-смещения линейно увеличивается до начала разрушения, где регистрируется пиковая сила вместе с соответствующим смещением, при котором наблюдается внезапный переход к хрупкому разрушению, поскольку сила резко падает. Удивительно, но независимо от того, как размещены яйца, пиковые силы оказываются схожими: около 46,0 Н для вертикали и 45,2 Н для горизонтали. Чтобы подтвердить эти результаты и определить механизмы, объясняющие результаты, разработали трехмерную механическую модель яйца, которая учитывает скорлупу и вязкий жидкий желток. Также моделируем скорлупу как линейно упругий материал с реакцией на хрупкое разрушение. Моделирование предсказывает ту же качественную тенденцию, что и эксперименты; пиковая сила неразличима для разных ориентаций яйца, и яйцо более податливо, когда размещено горизонтально. Эти результаты бросают вызов распространенному мнению о том, что яйца прочнее при вертикальной нагрузке. Однако остается вопрос: что определяет лучшую ориентацию для падения яйца? Яйца прочнее, если нагружены на экваторе Хотя обнаружили, что максимальная сила, которую может выдержать яйцо, не зависит от его ориентации, смещение яйца в начале трещины, значительно варьируется. Яйца, загруженные горизонтально, демонстрируют на 30% большее смещение при трещине (0,213 мм) по сравнению с яйцами, загруженными вертикально (0,161 мм). А именно, жесткость яйца, меньше в горизонтальном направлении. Поскольку пиковая сила не зависит от ориентации, это означает, что ориентация нагрузки влияет на уровень поглощения энергии, который эквивалентен площади под кривыми сила-смещение до точки разрушения, предполагая линейную зависимость между силой сжатия и смещением. Соответственно, в среднем яйца, загруженные горизонтально, могут поглотить на 30% больше энергии до разрушения. Определяя прочность яйца как количество энергии, которое оно может поглотить до разрушения, мы можем сделать вывод, что на основании наших результатов яйца становятся более прочными при горизонтальной нагрузке. Модели трещин - еще одно заметное различие, наблюдаемое между вертикально и горизонтально загруженными яйцами. Как видно из экспериментов и численной модели, горизонтальное сжатие обычно приводит к трещинам, которые распространяются вдоль экватора яйца, таким образом раскалывая его, в то время как вертикальное сжатие часто приводит к трещинам, которые распространяются по спирали от точки контакта тупого конца, что приводит к растрескиванию скорлупы. Это подкрепляет общий вывод о том, что яйца становятся более прочными, когда нагружаются по экватору. Динамические испытания на падение подтверждают статические результаты Обратите внимание, что в отличие от статического сжатия, для динамических испытаний мы различаем удары по тупым и острым концам в вертикальной конфигурации. Как в случае статической, так и в случае динамической нагрузки размещение яйца тупым или острым концом вниз в вертикальной ориентации не меняет результаты. Однако во время статических испытаний разрушение постоянно происходит на острой стороне яйца, независимо от вертикальной ориентации, проливая свет на тонкости и нюансы, связанные с, казалось бы, вечным конфликтом между королевствами Лилипутии и Блефуску. Хотя статистически значимой разницы при сравнении результатов для яиц, сброшенных в любой из вертикальных ориентаций, не наблюдается, при сравнении вертикальной и горизонтальной конфигураций наблюдается четкая разница. Количество яиц, которые треснули при ударе по их экватору, было меньше, чем при ударе по их полюсам. А именно, эти результаты свидетельствуют о том, что яйцо, сброшенное на экватор, вероятно, может выдерживать большую высоту падения без трещин. Подобно статическим испытаниям, механического анализа достаточно для объяснения и прогнозирования результата испытания на падение. Примечательно, что разрушение впервые наблюдается, когда яйца падают с высоты 8,6 мм при вертикальной ориентации. Ориентация яйца вдоль его экватора позволила ему достичь на 0,3 мм выше, чем при вертикальной ориентации, без трещин, что подтверждает реальное, хотя и небольшое преимущество падения яйца вдоль его экватора. Мы обнаруживаем, что время контакта с плитой (т. е. период времени, в течение которого измерение силы неотрицательно) больше для горизонтальной ориентации. Этот результат предполагает, что яйцо более податливо в этой конфигурации, также в случае динамического удара, тем самым подтверждая прогноз, основанный на прочности яйца. Эта повышенная податливость, скорее всего, объясняется структурой яйца, учитывая, что в обеих ориентациях используются одни и те же свойства материала. Выводы Представленные результаты подтверждают идею о том, что яйцо с меньшей вероятностью треснет, если его уронить на экватор. Этот результат противоречит общепринятому мнению о том, что яйцо «прочнее» в вертикальном направлении. Так что же пошло не так? Чтобы понять это, мы можем рассмотреть общие шаги в логике, сделанные популяризаторами науки и институтами относительно прочности яйца. Ниже приведен набор основных описаний общих аргументов, найденных в популяризаторских научных СМИ, и анализ их обоснованности на основе наших экспериментов и моделирования. Это не точные цитаты, но представляют собой общие нити в объяснении среди рассмотренных источников. Яйца жестче, когда нагружены в вертикальном направлении. Это правда. И наши эксперименты, и наши численные моделирования подтверждают, что жесткость яйца выше, когда нагружены в вертикальном направлении. Это означает, что яйца могут выдерживать большую силу при нагрузке в вертикальном направлении. Даже концептуально это не обязательно верно. Пиковая сила может зависеть от ряда материальных и геометрических факторов, которые не зависят от жесткости. Например, жесткость колонны определяется ее площадью поперечного сечения, но сила, при которой она прогибается, определяется ее моментом инерции площади. Следовательно, колонна с большей площадью, но меньшим моментом инерции будет более жесткой, но достигнет более низкой пиковой силы. В наших экспериментах мы не обнаружили статистической разницы между пиковой силой в вертикальном и горизонтальном направлениях, что согласуется с нашими численными расчетами. Поскольку яйцо может выдерживать более высокую силу в вертикальном направлении, оно с меньшей вероятностью разобьется при ударе. Это неверно. Даже если яйца могут выдерживать более высокую силу при нагрузке в вертикальном направлении, это не обязательно означает, что они с меньшей вероятностью разобьются при падении в этой ориентации. Яйцо, нагруженное в горизонтальном направлении, с меньшей вероятностью разобьется при ударе по его экватору. Это согласуется с результатами наших динамических экспериментов и моделирования. Теперь очевидно, что недостаток в общем аргументе заключается в определении «прочного» яйца. Большинство коммуникаторов понимают, что яйцо жестче в одном направлении, но они приравнивают это к «прочности» во всех других смыслах. Однако яйца должны быть крепкими, а не жесткими, чтобы выдержать падение. Мы понимаем это интуитивно. Когда мы падаем, мы знаем, что нужно сгибать колени, а не выпрямлять их, что может привести к травме. В некотором смысле наши ноги «слабее» или более податливы, когда согнуты, но они крепче и, следовательно, «сильнее» во время удара, испытывая меньшую силу на большем расстоянии. Результаты и анализ служат предостережением о том, как язык может повлиять на наше понимание системы, а неправильная постановка проблемы может привести к непониманию и неправильному обучению. Мы надеемся, что эта пересмотренная постановка проблемы поможет начинающим ученым и инженерам лучше понять, как объекты и конструкции реагируют на удар и динамические нагрузки. 12.05.2025 Комментарий:
Источник - пресса |
| (c) 2010-2025 Шнобелевская премия | ig-nobel@mail.ru |