اسطوره علمی ترک خورده: پوسته های تخم مرغ در واقع از طرف آنها قوی ترین هستند

یک تخم مرغ ممکن است ظریف به نظر برسد ، اما پوسته آن شگفتی مهندسی طبیعی است. برای قرن ها ، مردم معتقد بودند که قوی ترین جهت گیری آن در انتهای آن ایستاده است. به نظر می رسد این ایده معقول است – از همه اینها ، قوس ها و گنبدها در ساختمانهای باستان قوی ترین هستند که مانند یک منحنی بلند شکل می گیرند.

این اعتقاد گسترده شد و راه خود را به کلاسهای علمی و مسابقات STEM ، به ویژه “چالش افتادگی تخم مرغ” تبدیل کرد ، جایی که دانش آموزان دستگاه هایی را برای محافظت از تخم مرغ در هنگام کاهش از ارتفاع می سازند.

اما این اعتقاد طولانی مدت اکنون تحت فشار قرار گرفته است.

همه ساله ، دانشجویان سال اول در مهندسی عمران و محیط زیست در MIT در یک سنت سرگرم کننده و در عین حال آموزشی شرکت می کنند. آنها در چالش قطره تخم مرغ رقابت می کنند ، جایی که آنها برای محافظت از تخم مرغ در اثر ضربه در اثر ضربه ، باعث ایجاد تناقض می شوند. این رویداد به سرپرستی استاد تال کوهن و تیمش به منظور آموزش دانش آموزان در مورد نیروهای ضربه ، قدرت مادی و جذب انرژی طراحی شده است.

سالها ، گروه کوهن از آنچه به نظر می رسد توصیه های کاملی است ، دنبال کردند: همیشه تخم مرغ را به صورت عمودی برای بهترین فرصت بقا قرار دهید. اما چند سال پیش ، آنها شروع به شک به این “حقیقت” کردند.

این کنجکاوی با استفاده از تخم های باقیمانده از رویداد سالانه ، آزمایشی را برانگیخت. به جای یافتن اثبات برای قانون قدیمی ، داده های آنها چیزی شگفت آور را نشان داد. جهت گیری به وضوح از موقعیت عمودی حمایت نمی کرد. این یافته کوچک در را برای تحقیقات بسیار عمیق تر باز کرد.

برای حفر عمیق تر ، تیم کوهن بیش از 200 آزمایش انجام داد. آنها از دو نوع آزمایش استفاده کردند: فشرده سازی استاتیک و تست قطره پویا. در تست های استاتیک ، تخم ها هنوز هم در حالی که فشار افزایش می یابد ، نگه داشته می شد تا زمانی که آنها ترک خوردند. در آزمایشات قطره ، تخم ها از ارتفاعات مختلف آزاد شدند تا ببینند که چگونه آنها به تأثیرات دنیای واقعی پاسخ دادند.

Avishai Jeselsohn ، محقق کارشناسی ، به طراحی تست های استاتیک کمک کرد. وی توضیح داد که آنها از کاغذ نازک برای حمایت از تخم مرغ و جهت یابی آنها به صورت عمودی یا افقی استفاده می کنند. این تیم انتظار داشت که متوجه شود تخم قائم قبل از شکستن مقاومت بیشتری می کند.

اما نتایج آنها را شگفت زده کرد.

جوزف بوناویا ، کاندیدای دکترا در این تیم ، متوجه چیزی مهم شد. وی گفت: “نیرو برای شکستن تخم مرغ به هر صورت یکسان بود.” “اما تخم افقی قبل از شکسته شدن بیشتر خرد شد.”

این بدان معناست که تخم های افقی می توانند قبل از شکست ، انرژی بیشتری را جذب کنند. با استفاده از مدل سازی پیشرفته و شبیه سازی ، تیم آنچه را که داده ها نشان داده است تأیید کرد. توانایی انعطاف پذیری و خم شدن به تخم های افقی در هنگام تأثیر زنده ماندن ، به تخم های افقی می بخشد.

هنگامی که آزمایشات آزمایشگاهی نشان داد که تخم های افقی سختی بیشتری دارند ، این تیم یک تست قطره ویژه طراحی کرده است. آنها با استفاده از دارندگان چاپی سه بعدی و سولنوئیدها برای انتشار مداوم ، تخم ها را از ارتفاعات مختلف رها کردند. این بار ، آنها پیگیری کردند که چند بار تخم ها بسته به نحوه موقعیت آنها شکسته شدند.

باز هم ، داده ها مشخص بود. تخم های افقی کمتر از عمودی شکسته می شوند.

جسلسون گفت که آزمایشات قطره از آنچه در آزمایشات استاتیک می دیدند حمایت می کند. هر دو جهت گیری نیروهای اوج مشابهی را اداره می کردند ، اما افراد جانبی در جذب انرژی بهتر بودند. این پاسخ انعطاف پذیر به جلوگیری از ترک کمک کرد.

این ایده شبیه به نحوه فرود مردم پس از پریدن است. خم شدن زانوها باعث می شود فرود نرمتر شود. پاها هنگام خم شدن قوی تر نیستند ، اما آنها در گرفتن ضربه بهتر هستند. به همین ترتیب ، یک تخم مرغ به صورت افقی ممکن است سخت تر نباشد ، اما وقتی تأثیر تحمل تحمل می شود سخت تر است.

این مطالعه فقط اعتقاد به تخم مرغ را به خود جلب نکرد – بلکه پیامی در مورد خود علم ارسال کرد. بسیاری از مطالب کلاس ، فیلم های اینترنتی و راهنماهای معلمان این ایده را تکرار کرده اند که جهت گیری عمودی قوی تر است. این ایده احتمالاً از چگونگی حمل قوس در ساختارهای قدیمی ناشی می شود. اما استفاده از این اصل روی تخم ها اشتباه است.

جسلسون خاطرنشان كرد كه چگونه حتی متخصصان نیز شگفت زده شدند. وی گفت: “این یک اعتقاد گسترده و پذیرفته شده است که در بسیاری از منابع آنلاین به آن اشاره شده است.”

نامزد دکتری Brendan Unikewicz افزود: ترک خوردن یک تخم مرغ برای صبحانه همانند نحوه برخورد یک تخم مرغ یک قطره است. هنگام پخت و پز ، برای شکستن پوسته ، فشار متمرکز را به یک نقطه کوچک اعمال می کنید. این متفاوت از اتفاقی است که در هنگام ضربه رخ می دهد ، جایی که نیرو در کل پوسته گسترش می یابد.

Bonavia توضیح داد که آنچه مهم است فقط چیزی نیست ، بلکه چگونه انرژی را کنترل می کند. وی گفت: “سختی فقط در مورد مقاومت در برابر نیروی نیست – این در مورد چگونگی از بین رفتن این نیرو است.”

این یک تمایز مهم است ، مسئله ای که چگونه دانش آموزان و مربیان باید در مورد مقاومت ساختاری فکر کنند.

بینش این مطالعه بسیار فراتر از پیشخوان های آشپزخانه و نمایشگاه های علمی است. پوسته ها در همه جای طبیعت وجود دارند و از بدنهای نرم حیوانات مانند لاک پشت ها ، صدف ها و حتی انسان ها محافظت می کنند. به عنوان مثال ، جمجمه انسان به روشی مشابه کار می کند و انرژی را برای محافظت از مغز جذب می کند.

درک چگونگی شکست ساختارهای پوسته مانند تحت فشار می تواند به بهبود کلاه ایمنی ، زره بدن و حتی کپسول های تحویل دارو کمک کند. با تجدید نظر در مورد چگونگی برخورد این اشکال ، مهندسان ممکن است طرح های بهتر و ایمن تری توسعه دهند.

این مطالعه ، که در فیزیک ارتباطات منتشر شده است ، شامل محققان دانشگاه MIT و دانشگاه تل آویو بود. به همراه کوهن ، این تیم شامل آنتونی سوتانتو ، سوت ابوقبیته ، جیسلسون ، بوناویا ، Unikewicz ، استفان رودولف ، هادسون بورجا دا روچا و کیانا ناگیبزاده بودند. بودجه از دفتر تحقیقات نیروی دریایی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم تأمین شد.

دیوید تیلور ، استاد برجسته در کالج ترینیتی دوبلین ، که درگیر این مطالعه نبود ، از این کار ستود. وی گفت که این یک نمونه عالی از این است که چرا دانشمندان همیشه باید از “خرد دریافت شده” سؤال کنند. غالباً ، ایده های قدیمی سالها بدون آزمایش تکرار می شوند.

تیلور افزود: پشتیبانی از تحقیقاتی که تفکر اصلی را به چالش می کشد ، می تواند دشوار باشد. اما اکتشافاتی مانند این نشان می دهد که چرا ارزش این تلاش را دارد.

در پایان ، این مطالعه یک درس ارزشمند را ارائه می دهد: کنجکاو بودن. این ایده که یک تخم یک جانبه می تواند یک قطره بهتر از یک ایستاده بلند زنده بماند ، به ما یادآوری می کند که با انتقاد فکر کنیم و حتی آشناترین فرضیات را آزمایش کنیم.

کوهن امیدوار است که دانش آموزان این درس را به قلب خود ببرند. وی گفت: “ما امیدواریم که کار ما به دانش آموزان الهام بخش باشد که کنجکاو بمانند ، حتی آشناترین فرضیات را زیر سوال ببرند ، و به فکر انتقادی در مورد دنیای جسمی پیرامون خود باشند.”

این پاداش واقعی علم است – فقط یافتن پاسخ ، بلکه پرسیدن سوالات بهتر.