MIT-Forscher kontrollieren Bruch von Spaghetti durch gezielte Verdrehung

Ein seit Langem bestehendes Rätsel der angewandten Physik, das die kulinarische und wissenschaftliche Welt gleichermaßen beschäftigte – warum trockene Spaghetti beim Biegen fast immer in mehrere Stücke zerbrechen, anstatt sauber in zwei Teile zu brechen – wurde durch eine Untersuchung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gelöst. Dieses Phänomen, das bereits den Nobelpreisträger Richard Feynman vor 1988 beschäftigte, konnte nun durch die Anwendung einer präzisen mechanischen Methode kontrollierbar gemacht werden.

Die Forscher des MIT, darunter Jörn Dunkel, Ronald Heisser und Vishal Patil, veröffentlichten ihre Ergebnisse im Fachjournal Proceedings of the National Academy of Sciences. Sie lieferten damit eine definitive Antwort auf Feynmans Problem. Bereits 2005 hatten französische Physiker, Basile Audoly und Sebastien Neukirch, eine erste Erklärung für das Mehrfachbruch-Verhalten geliefert: Sie postulierten, dass der initiale Bruch eine Rückschnellbewegung, den sogenannten „Snap-Back“-Effekt, auslöst, welche eine Biege- oder Vibrationswelle erzeugt, die sekundäre Risse im Nudelstab verursacht. Für diese Theorie erhielten Audoly und Neukirch 2006 den Ig-Nobelpreis.

Trotz dieser Erklärung blieb die Möglichkeit eines sauberen Zweiteilung des Spaghetti-Sticks offen. Die MIT-Forscher nahmen die Herausforderung an, inspiriert durch frühere Versuche Feynmans. Um die Bruchmechanismen detailliert zu untersuchen, entwickelte das Team eine spezielle Apparatur, um Hunderte von Barilla No. 5 und No. 7 Spaghetti-Stäben unter kontrollierten Bedingungen zu biegen und zu verdrehen. Die Aufzeichnung des Vorgangs erfolgte mit einer extrem hohen Bildrate von bis zu einer Million Frames pro Sekunde.

Die entscheidende Entdeckung lag in der Einführung einer zusätzlichen mechanischen Belastung: Durch das Verdrehen des Nudelstabs um etwa 270 bis 360 Grad vor dem langsamen Biegen wird der für die Mehrfachbrüche verantwortliche „Snap-Back“-Effekt neutralisiert. Patil entwickelte ein mathematisches Modell, das auf den Arbeiten der französischen Kollegen aufbaute und zeigte, dass diese Verdrehung die sekundären Wellen dämpft und somit den Bruch auf exakt zwei Teile erzwingt. Physikalisch gesehen interagieren zwei Wellen: Während der initiale Bruch den „Snap-Back“ erzeugt, generiert die Verdrehung eine gegenläufige, schneller ausbreitende „Twist-Welle“, welche die Energie ableitet und die Bildung weiterer Spannungsansammlungen verhindert.

Obwohl die praktische Anwendung dieses Verfahrens im alltäglichen Gebrauch aufgrund der erforderlichen Präzision als schwierig gilt, bietet die Forschung einen bedeutenden Rahmen für die Steuerung von Bruchvorgängen in stabförmigen Ingenieurmaterialien, wie beispielsweise in multifasrig strukturierten Komponenten oder künstlich hergestellten Nanotubes. Die wissenschaftliche Untersuchung dieser alltäglichen Beobachtung unterstreicht den Wert der Anwendung fortschrittlicher Methoden auf scheinbar triviale Phänomene und erweitert das Verständnis der Mechanik der Verdrillungsbewegung, die im Vergleich zur reinen Biegebewegung weniger umfassend erforscht ist. Die MIT-Forscher haben damit einen klassischen Fall der angewandten Physik von einer kulinarischen Kuriosität zu einem Beitrag zur Materialwissenschaft transformiert, indem sie die Energieverteilung in spröden Materialien präzise steuern konnten.