Fizikų taikinyje – spagečiai: kaip pagal makaronų sulinkimą nustatyti, kad jie „al dente“?

Kur kas tikslesnę šio reiškinio analizę žurnale „Physical Review E“ pateikė prestižinio Kalifornijos universiteto Berklyje (JAV) fizikai, rašo „Ars Technica“.

Recenzuojamų fizikos žurnalų kasdien nesklaidantiems skaitytojams gali būti keista sužinoti, kad yra gausybė mokslinių darbų, kuriuose siekiama perprasti įvairias spagečių savybes ir virimo, ir valgymo metu. Pavyzdžiui, mokslininkai analizuoja ilgųjų makaronų įsiurbimą į burną ir jų išspjovimą („spagečių klausimas“ ir „atvirkščias spagečių klausimas“). O labiausiai mokslininkus domina klausimas, kodėl, laužiant sausus spagečius, jie niekada nelūžta per pusę, į du fragmentus, tačiau visada – į tris fragmentus arba daugiau.

Dėl šio klausimo savo smegenis suko ir garsusis velionis fizikas Richardas Feynmanas – jis savo namų virtuvėje dažnai atlikinėjo neformalius eksperimentus. Prancūzijos fizikai 2006-aisiais sugebėjo pateikti šio reiškinio dinamikos paaiškinimą. Jie nustatė, kad sauso makarono lūžimo metu susidaro „atatranka“, keliaujanti per makarono galą bangos pavidalu. Ši banga trumpam padidina sulinkimą kitose makarono vietose ir padaugina lūžimo vietų kiekį. Už šį didelės vertės fizikinį tyrimą Basile'is Aydoly ir Sebastienas Neukirchas buvo apdovanoti 2006-ųjų metų alternatyvioji Ig Nobelio mokslo apdovanojimu.

2015-aisiais du Masačusetso technologijų instituto (JAV) studentai, ieškodami baigiamosios savo studijų temos, nusprendė pasiaiškinti, ar įmanoma suvaldyti natūralias makaronų lūžimo jėgas ir gauti „švarų lūžį“ – perlaužti spagetį į du fragmentus, Jie nustatė, kad makaroną susukus apie savo ašį ir lenkiant vieną jo galą prie kito galima iš tiesų spagetį įmanoma perlaužti pusiau. Bet tam reikia ganėtinai stipraus sukamojo judesio.

2018-aisiais, du to paties Masačusetso instituto matematikai šį praktinį makaronų laužymo sprendimą išskaičiavo ir teoriškai: persukite spagetį 270 laipsnių kampu apie savo ašį ir tada iš lėto lenkite vieną galą prie kito. Taip makaronas turėtų lūžti pusiau. Persukimas susilpnina „atatrankos“ efektą, nustatytą 2006-aisiais. Makarono lūžgaliui besisukant į įprastinę būklę jis išskiria lenkimo metu įgytą energiją ir dėl to papildomų lūžio vietų neatsiranda.

Įminus šią fundamentalios svarbos fizikos mįslę, Kalifornijos universiteto mokslininkai visą savo dėmesį sukoncentravo į kitą svarbų makaroninį klausimą: modelį, leidžiantį prognozuoti, kaip vienas spagetis virimo metu keis savo formą. Spagečiai, kaip ir dauguma kitų makaronų, yra pagaminti iš miltų, sumaišytų su vandeniu, taip suformuojant tešlą, kurią išspaudus per įvairias angas gaunami pageidaujamos formos makaronai (spagečių atveju – tiesūs, ilgi pagaliukai). Tuomet masinės komercinės gamybos procese šie makaronai yra džiovinami – tai yra dar viena, taip pat populiari fizikinių tyrimų sritis, mat džiuvimo metu makaronai linkę skilinėti.

O kas nutinka sausus makaronus įmerkus į verdantį vandenį? Tereikia kelių sekundžių, kad atskiri makaronai pasiektų aplinkinio vandens temperatūrą. Tačiau reikia gerokai ilgesnio laiko, kad vanduo prasiskverbtų pro makarono krakmolinę matricą. Vandeniui besiskverbiant pats makaronas brinksta, o į vandenį išsiskiria nedideli krakmolo – amilozės – kiekiai. Galų gale prasideda krakmolo želatinizacija – cheminis procesas, lemiantis gerai paruoštų „al dente“ makaronų tekstūros pokyčius.

Kalifornijos universiteto fizikai Nathanialis Goldbergas ir Oliveris O'Reilly susitelkė į verdamų spagečių mechaninių permainų modelį, kurio pagrindu tapo ankstesni „augimo strypelių“ mechanikos tyrimai bei Leonardo Eulerio elastikos teorija. Kad supaprastintų savo darbą, mokslininkai padarė kelias pradines prielaidas. Pirma – kad makaronai nekibs prie puodo. Antra – kad pačių makaronų storumas yra nesvarbus. Modelis vertina tik ilgio, skersmens, tankio ir elastingumo pokyčius spagečiams verdant.

Pirmasis modelio bandymas su eiliniais prekybos centruose randamais makaronais buvo atliekamas mirkant juos kambario temperatūroje – taip buvo atliekamas modelio patikrinimas. Mokslininkai pokyčius fiksavo kas 15 sekundžių ir su programinės įrangos pagalba stebėjo spagečių galų pozicijos pokyčius. Žinoma, mokslininkai pripažino, kad įprastai makaronų virimo procesas vyksta ne taip. Kambario temperatūroje želatinizacijos procesas nevyksta. Makaronai vis dar absorbuoja vandenį, brinksta ir minkštėja, bet jų tekstūra būna visiškai kitokia. „Skaitytojai gali patys tai patirti pabandydami mėgautis spagečių, kelias valandas mirkytų kambario temperatūros vandenyje, patiekalu“, – rašė autoriai. Bet mirkymas kambario temperatūros vandenyje smarkiai supaprastino eksperimentinę aplinką.

Mokslininkai nustatė, kad eksperimento rezultatai atitiko jų modelio pateiktas prognozes, numatančias, kaip makaronai deformuosis. „Formos pokytį lemia pokytis iš rigidiškos į viskoelastinę būseną ir taip įgyjamas makarono gebėjimas sulinkti bei negrįžtamai deformuotis nelūžtant“, – sakė tyrimo vykdytojų grupei nepriklausanti fizikė Katherine Wright.

Be abejo, šio darbo skaitytojai eilinį kartą pradės raukytis galvodami, kad fizikai ir vėl užsiima nesąmonėmis ir gaišta savo laiką bei švaisto mokesčių mokėtojų pinigus nereikalingiems darbams, kai esama ir kur kas svarbesnių sprendimo reikalaujančių klausimų. Maža to, ir šis darbas taps labai stipriu pretendentu į ateinančių metų Ig Nobelio premiją. Bet alternatyviųjų mokslo premijų steigėjai ir teikėjai visuomet labai aiškiai sakydavo: šios premijos teikiamos už mokslinius darbus, kurie iš pradžių sukelia šypseną arba juoką, bet po to priverčia susimąstyti.

O N.Goldbergo ir O.O'Reilly darbas toli gražu nei paprastas, nei nereikalingas. Pavyzdžiui, labai tikėtina, kad jis bus įdomus maisto gamybos pramonės įmonėms, mat šis modelis gali leisti paprasčiau nustatyti makaronų išvirimo laipsnį vien pagal tai, kiek jie sulinkę.