Яєчний жовток значно гірше переносить перевантаження при обертальному русі, ніж при поступальному, - з'ясували американські фізики. Обертання з уповільненням деформує жовток всередині яйця сильніше, ніж з прискоренням, а ось при лінійних перевантаженнях його форма практично не змінюється. Результати роботи не тільки показують як можна зруйнувати жовток, не розбиваючи яйця, але також можуть бути корисними для пояснення і запобігання черепно-мозкових травм, пишуть вчені в.
З точки зору фізика, сире куряче яйце - це деформована м'яка капсула (жовток), поміщена у в'язку рідина (білок) в обмеженому просторі з твердими стінками (шкаралупою), тобто типовий предмет дослідження фізики м'яких середовищ. Вивчати механіку таких систем теоретично досить складно (як правило, загальних аналітичних рішень просто немає), тому часто її дослідження зводиться до вивчення конкретних систем за допомогою численних методів, комп'ютерного моделювання або модельних експериментів.
Зате рішення, отримані таким чином для однієї системи, нерідко можна перенести і на інші об'єкти з аналогічними властивостями (часто - зовсім з іншої області: близькі завдання механіки м'яких середовищ можна знайти і в біології, і в матеріалознавстві, і, наприклад, в кулінарії або харчовій промисловості). Наприклад, те ж яйце з механічної точки зору можна розглядати як модель живої клітини в замкнутому просторі або головного мозку всередині черепа.
Цей підхід використовували американські фізики під керівництвом Цяньхуна У (Qianhong Wu) з Університету Вілланова: вчені в експерименті визначили, як реагує жовток всередині сирого курячого яйця на різкі зовнішні механічні впливи і чи можна зруйнувати його, не пошкодивши при цьому шкаралупи. Такий об'єкт цікавий для вивчення і сам по собі, і потенційно - в якості механічної моделі м'яких капсул в обмеженій стінками рідкому середовищі. Чимось жовток нагадує рідку краплю, вміщену в іншу рідину, з якої вона не змішується. Однак на відміну від краплі, у жовтка і білка практично однакова щільність, а між собою вони розділені мембраною. Тому реакція на механічний вплив визначається не рівновагою між тиском рідини і поверхневим натягненням, а динамічними ефектами, пов'язаними з плином рідини.
Для експерименту вчені витягли з шести курячих яєць жовтки і білки, виміряли їх щільність (вона склала 1,045 0,02 і 1,033 0,02 грам на мілілітр відповідно) і пружність властивості мембрани (її товщина склала близько трьох мікрометрів, а модуль Юнга - 2,64 1,45 мегапаскалів). Потім, щоб подивитися, як жовтки деформуються при механічному впливі, фізики поміщали їх в одну з двох спеціально зібраних експериментальних установок: в одній вони вивчали деформацію при поступальному русі, у другій - при обертанні.
На першій установці по капсулі, всередині якої знаходився жовтком у білковому середовищі, били молотком з максимальним прискоренням 600 g. На другій установці жовток поміщали в обертову циліндричну капсулу, яку спочатку розкручували до частоти 400 радіанів в секунду (це приблизно 64 герца), чекали стійкого стану, а потім уповільнювали назад.
Виявилося, що в першому випадку - при поступальному русі - не відбувається руйнування структури жовтка, і автори роботи не помітили практично ніякої деформації. Вчені пояснюють таку поведінку дуже близькою щільністю білка і жовтка і незжиманістю середовища, через які вся система рухалася після удару як тверде тіло.
На відміну від першого експерименту, у другому деформацію яєчний жовток досить помітно деформувався. При обертанні з прискоренням він трохи витягнувся вздовж осі обертання, але значно сильнішою була деформація при обертанні з поступовим уповільненням: він досить сильно витягнувся в радіальному напрямку і сплющився вздовж осі обертання. Тільки через хвилину після зупинки (прискорення і уповільнення займало дві і одну секунду відповідно) жовток поступово відновив початкову сферичну форму. Аналогічні ефекти виявилися характерними і для модельної системи небіологічного походження - мембрани з альгінату кальцію в лактатному розчині.
Щоб розібратися в механізмі, який призводить до такого ефекту, вчені провели чисельне моделювання і запропонували наступне пояснення. Через інерцію середовища при розкручуванні тиск рідини зовні від мембрани не встигає скомпенсуватися відцентровою силою, яка діє на рідину всередині мембрани, і жовток витягується вздовж осі обертання. Потім, коли досягається стійкий стан при постійній швидкості обертання, кутова швидкість рідини всередині мембрани стає більше швидкості рідини зовні, через що відцентрова сила виростає, і жовток починає розплющуватися. Оскільки цей ефект має інерційну природу, то швидкість залежить від відношення чисел Струхаля і Рейнольдса - чим воно менше, тим повільніше буде поширюватися напруга в середовищі і тим менше буде деформуватися жовток.
За словами вчених, ці дані можуть бути корисними для пояснення і запобігання травм головного мозку. Виходячи з отриманих результатів, найбільш небезпечним механічним впливом для мозкової речовини може бути обертальний рух, особливо уповільнюється. Такий ефект, зокрема, може пояснити небезпеку ударів у щелепу, при яких голові можна надати максимального кутового прискорення.
Постійні механічні впливи на головний мозок загрожують серйозними нейродегенративними захворюваннями. Наприклад, серйозною проблемою для боксерів і гравців в американський футбол стала хронічна травматична енцефалопатія - захворювання, що викликається частими травмами голови. Детальніше про нього ви можете прочитати в нашому матеріалі «Приголомшливий футбол».