لماذا تنقسم السباغيتي الجافة إلى أكثر من قطعتين؟

يورام سوريك يجيب على سؤال شاؤول *البحث رغم فوزه بجائزة إيجنوفال إلا أن له آثارًا على فهم العمليات المهمة مثل كسور العظام أو الجسور

من وجهة نظر ميكانيكية، تعتبر السباغيتي الجافة مادة هشة، أي صلبة وضعيفة. صعب لأنه يتطلب قوة كبيرة لثنيه، وضعيفًا لأنه يتطلب طاقة قليلة لكسره. ومن طبيعة هذه المواد أن تتحطم إلى قطع صغيرة عند كسرها. حتى الفولاذ يمكن أن يتصرف في بعض الأحيان كمادة هشة كما اكتشف ركاب السفينة تايتانيك، مما أدى إلى كارثتهم عندما تحولت القشرة المعدنية للسفينة إلى حالة زجاجية في الماء المثلج وتحطمت بدلاً من أن تتشوه من تأثير النهر الجليدي . الحقيقة هي يا شاؤول أن سؤالين ينشأ من سؤالك وليس سؤالًا واحدًا: لماذا تتصرف قطعة العجين الجافة مثل الزجاج، وثانيًا، لماذا تتحطم مثل هذه الأشياء إلى قطع بدلاً من أن تنكسر إلى قسمين في ذروة الجهد مثل الرغيف الفرنسي أو انكسرت العصا الخشبية المنحنية؟

لنبدأ بالعجين: كل عبوة معكرونة تستحق اسمها تفتخر بأنها تأتي من دقيق السميد المطحون من حبوب القمح القاسي. يعد نوع القمح مهمًا لأنه بالمقارنة مع أنواع الدقيق الأخرى، يحتوي دقيق القمح القاسي على الكثير من البروتين وهذا البروتين هو الذي يمنح المعكرونة الجافة صلابتها وملمس ألدينتي الشهير بعد الطهي. عندما تضيف الماء إلى الدقيق وتصنع العجينة، يتم فتح الروابط التي تحافظ على بروتينات القمح في حالة مطوية: يرتبط البروتينان الرئيسيان: الغلوتينين (الذي يمنح المعكرونة الصلابة والمتانة) والجليادين (المكون المرن). لبعضها البعض وتشكل الغلوتين (نعم، نفس البروتين الذي يزعج مرضى الاضطرابات الهضمية). يقوم الماء والعجن بترتيب البروتين الجديد في سلاسل طويلة مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط كبريتية: وهي نفس الروابط التي تعطي أيضًا صلابة للبروتينات التي تشكل أظافرنا أو أصداف السلاحف. يتم تشكيل شبكة صلبة من ألياف البروتين: هذا هو الهيكل المستقر الذي سيمنع السباغيتي من التحول إلى هريسة عند طهيها.

عندما تضيف الماء إلى الدقيق وتضع الخليط، يمكنك أن تشعر بالفعل بتكوين الغلوتين بيديك: النقطة التي يتحول فيها العجين من عجينة طرية إلى نوع من الكرة المطاطية: هذه اللحظة، التي يعرفها كل خباز، يمثل تكوين الروابط الكبريتية والروابط الهيدروجينية وبالتالي انتقال البروتين من مجموعة من السلاسل التي تسبح في الماء إلى بنية ذات روابط داخلية لا تستطيع الأصابع فصلها بل تنحني فقط. المكون الثاني: النشا الذي سيتحول إلى مادة هلامية ناعمة ومرنة أثناء الطهي يتم احتجازه في هذه المرحلة على شكل كريات كثيفة بين ألياف الشبكة وبالتالي لا يؤثر بشكل خاص على الخواص الميكانيكية. الغلوتين مادة محبة للماء للغاية، لذلك، أثناء مرحلة التجفيف، عندما يترك الماء العجينة وينتقل من المركز إلى القشرة في طريقه للخروج، سيتحرك الغلوتين معه أيضًا: جوانب العجينة. ستكون أصابع السباغيتي غنية بشكل خاص بالبروتين الصلب وبالتالي فهي مقرمشة بشكل خاص.

والآن بعد أن صنعنا عجينة صلبة، يبقى السؤال الثاني: لماذا تتكسر ولا تنكسر إلى قسمين؟

لا يبدو السؤال خطيرًا بشكل خاص، وبالفعل فاز الفيزيائيان باسيلي أودولي وسيباستيان نيوكيرتش، اللذان درسا آلية كسر السباغيتي، بجائزة إيغ نوبل (جائزة هيتولي التي تُمنح لأبحاث غريبة أو سخيفة بشكل خاص) في الفيزياء. وهذا الفوز الذي يجعل بحثهم يتماشى مع المنشورات الغريبة (مثل تلك التي اختبرت انجذاب بعوض الأنوفيلة لرائحة جبن ليمبورغ أو ملاحظة مجامعة الميت في أوزة) يشكل إجحافًا لموضوع البحث بما له من انعكاسات على فهم العمليات المهمة مثل الكسور في العظام أو الجسور. حسنًا يا سول، ماذا يحدث حقًا عندما تكسر عصا السباغيتي؟

عند ثني السباغيتي، يتشكل قوس: في الجزء الخارجي من هذا القوس، تتمدد ألياف البروتين وفي الجزء الداخلي يتم ضغطها. مع زيادة درجة الانحناء، يزداد الضغط الداخلي ويكون كبيرًا بشكل خاص في وسط القوس حيث يجب تمديد السلاسل الخارجية إلى الحد الأقصى ويجب ضغط السلاسل الداخلية بشكل خاص. هناك، في المركز، عادة ما يحدث الكسر الأول. نتوقع الآن أنه بعد محاذاة جزأين العصا، سوف يسترخي الزنبرك المشدود وسيتبقى لدينا عودان. ولكن اتضح أن الطاقة المرنة المخزنة في العصا تنطلق على شكل موجة تتقدم من نقطة الانهيار إلى أطراف العصا.

يؤدي هذا الشكل الموجي في الواقع إلى زيادة الانحناء بعدة نقاط وبالتالي سيتم إنشاء المزيد من نقاط الكسر. عندما تكسر أعواد السباغيتي وتتحقق من توزيع حجم الشظايا، يتبين أن هناك إحساسًا ماديًا بهذا السحق - فمعظم الشظايا ذات حجم يتوافق مع مسافة قمم موجة الانحناء من منتصف العصا. في سلسلة الصور، يُشاهد تكسير السباغيتي، هذه المرة ليس عن طريق الانحناء ولكن عن طريق مكبس يضرب أحد طرفيه (تظهر كل صورة صورًا فوتوغرافية من وجهتي نظر بزاوية 90 درجة عن بعضها البعض). يفصل بين كل صورة أقل من 100 مليون من الثانية: يمكنك أن ترى كيف تتشكل موجة منحنية على طول العصا وكيف تنكسر السباغيتي عند نقاط ذروة هذه الموجة. من المحتمل أن تكون الموجات المماثلة مسؤولة عن حقيقة أن الزجاج سوف يتحطم دائمًا إلى قطع صغيرة. إذا قمت بطهي السباغيتي بدلاً من ثنيها أو ضربها، فإن الماء المغلي سيفتح الروابط بين سلاسل الغلوتين بحيث تكون حركتها بالنسبة لبعضها البعض ممكنة. سيؤدي تطبيق القوة إلى انزلاقها وتدفقها وسوف تتمزق السباغيتي إلى جزأين بالضبط.

شكرًا لمايكل هيجلي وأندرو بيلمونت لمساعدتهما وإذنهما باستخدام الصور الفوتوغرافية من عملهما.