Studenti MIT vyvracejí mýtus o pevnosti vajec: na boku jsou silnější

Vědecká pravda, všeobecně uznávaná a vyučovaná ve školách i prezentovaná v populárně-vědeckých videích, tvrdí, že vejce je nejodolnější při pádu svisle, na špičku. Avšak, když inženýři z MIT tuto domněnku otestovali, narazili na překvapivé zjištění.

Jejich experimenty odhalily, že vejce puštěná na bok – nikoliv na špičku – jsou mnohem odolnější, a to díky chytrému fyzikálnímu triku: vejce na boku se ohýbají jako tlumiče nárazů, vyměňují tuhost za lepší absorpci energie. Jejich výsledky, zveřejněné v časopise Communications Physics, nepíšou jenom nové pravidla klasické soutěže v pouštění vajec – jsou také lekcím intelektuální pokory a zvědavosti. I „ustálená“ věda může přinést překvapení, když se k ní přistupuje s důkladností a otevřenou myslí.

Na první pohled se skořápka vejce může zdát křehká, ale její pevnost je zázrakem fyziky. Rozbijte vejce na bok pro ranní omeletu a snadno se rozlomí. Intuitivně věříme, že vejce se hůře rozbijí, když jsou umístěna svisle. Tato představa je dlouho základním kamenem klasické „soutěže v pouštění vajec“, populární vědecké aktivity na STEM školách po celé zemi, která studentům představuje fyzikální koncepty nárazu, síly, kinetické energie a inženýrského designu.

Roční soutěž v pouštění vajec je vrcholem adaptačního kurzu pro prvňáky na Katedře stavebního a environmentálního inženýrství MIT. „Každý rok sledujeme vědeckou literaturu a hovoříme se studenty o tom, jak vejce umístit, aby se při nárazu nezlomilo,“ říká Tal Cohen, docent stavebního a environmentálního inženýrství a strojírenství. „Ale asi před třemi lety jsme si začali klást otázku, zda svislá poloha je opravdu silnější.“

Tato zvědavost podnítila počáteční experiment Cohenovy výzkumné skupiny, která vede událost pouštění vajec na katedře. Rozhodli se otestovat zbývající krabici vajec v laboratoři. „Očekávali jsme, že potvrdíme, že svislá strana je pevnější, na základě toho, co jsme si přečetli online,“ říká Cohen. „Ale když jsme se podívali na data – nebylo to vůbec jasné.“

To, co začalo jako neformální zkoumání, se vyvinulo ve výzkumný projekt. Aby důkladně prozkoumali pevnost obou orientací vajec, výzkumníci provedli dva typy experimentů: statické tlakové zkoušky, které aplikovaly postupně rostoucí sílu k měření tuhosti a houževnatosti; a dynamické zkoušky pádu, aby kvantifikovali pravděpodobnost rozbití při nárazu.

„Při statickém testování jsme chtěli udržet vejce v klidu a tlačit na něj, dokud neprasklo,“ vysvětluje Avishai Jeselsohn, student bakalářského studia a autor studie. „Použili jsme tenké papírové podložky k přesnému nastavení vajec svisle a vodorovně.“

Výzkumníci zjistili, že k zahájení praskliny v obou orientacích je potřeba stejné množství síly. „Nicméně jsme si všimli klíčového rozdílu v tom, o kolik se vejce stlačilo předtím, než se zlomilo,“ říká Joseph Bonavia, doktorand, který se na práci podílel. „Vodorovné vejce se stlačilo více při stejné síle, což znamená, že bylo pružnější.“

Pomocí mechanického modelování a numerických simulací k ověření výsledků svých experimentů výzkumníci dospěli k závěru, že i když síla k prasknutí vejce byla konzistentní, vodorovná vejce absorbovala více energie díky své pružnosti. „To naznačovalo, že v situacích, kde je důležitá absorpce energie, jako je pád, může být vodorovná orientace odolnější. Poté jsme provedli dynamické zkoušky pádu, abychom zjistili, zda to platí i v praxi,“ říká Jeselsohn.

Výzkumníci navrhli zařízení pro pouštění vajec pomocí solenoidů a 3D tištěných podpěr, které zajišťovaly současné uvolnění a konzistentní orientaci vajec. Vejce byla pouštěna z různých výšek, aby bylo možné pozorovat vzory praskání. Výsledek: Vodorovná vejce praskala méně často, když byla pouštěna ze stejné výšky.

„To potvrdilo, co jsme viděli ve statických testech,“ říká Jeselsohn. „I když obě orientace zažily podobné špičkové síly, vodorovná vejce absorbovala energii lépe a byla odolnější vůči rozbití.“

Zpochybňování běžných představ

Studie odhaluje mylnou představu v populární vědě ohledně pevnosti vejce při nárazu. I zkušení vědci zabývající se mechanikou lomu původně předpokládali, že svisle orientovaná vejce budou pevnější. „Je to rozšířená, uznávaná víra, na kterou se odkazuje v mnoha online zdrojích,“ poznamenává Jeselsohn.

Denní zkušenost může tuto mylnou představu posilovat. Koneckonců, vejce často rozbíjíme na bok při vaření. „To však není totéž jako odolávání nárazu,“ vysvětluje Brendan Unikewicz, doktorand a autor článku. „Rozbití vejce při vaření zahrnuje aplikaci lokálně zaměřené síly pro čisté rozlomení, aby se získal žloutek, zatímco jeho odolnost vůči rozbití při pádu zahrnuje rozložení a absorpci energie po celé skořápce.“

Rozdíl je jemný, ale významný. Svisle orientované vejce, i když je tužší, je křehčí při náhlé síle. Vodorovné vejce, které je pružnější, se ohýbá a absorbuje energii na větší vzdálenost – podobně jako když ohýbání kolen při pádu změkčuje náraz.

„V jistém smyslu jsou naše nohy „slabší“, když jsou ohnuté, ale ve skutečnosti jsou odolnější při absorpci nárazu,“ dodává Bonavia. „Stejné je to s vejcem. Houževnatost není jen o odolávání síle – jde o to, jak je tato síla rozptýlena.“

Výsledky výzkumu nabízejí více než jen vhled do chování vajec – zdůrazňují širší vědecký princip: že všeobecně uznávané „pravdy“ stojí za to znovu prozkoumat.

Co bylo dříve?

„Je skvělé vidět příklad „přijaté moudrosti“, která je vědecky testována a ukazuje se, že je nesprávná. Existuje mnoho takových příkladů ve vědecké literatuře a v některých oblastech je to skutečný problém, protože může být obtížné zajistit financování pro zpochybnění stávající, „známé“ teorie,“ říká David Taylor, emeritní profesor na Katedře strojírenství, výrobního inženýrství a biomedicínského inženýrství na Trinity College Dublin, který nebyl s touto studií spojen.

Autoři doufají, že jejich zjištění povzbudí mladé lidi, aby zůstali zvědaví a uvědomili si, kolik toho ještě zbývá objevit ve fyzickém světě.

„Náš článek je připomínkou hodnoty zpochybňování běžných představ a spoléhání se na empirické důkazy, nikoli na intuici,“ říká Cohen. „Doufáme, že naše práce inspiruje studenty, aby zůstali zvědaví, zpochybňovali i ty nejznámější předpoklady a dále kriticky přemýšleli o fyzickém světě kolem nich. To je to, o co se snažíme ve své skupině – neustále zpochybňovat to, čemu se učíme, prostřednictvím promyšleného zkoumání.“