Yumurta düşürme yarışmaları, lise ve üniversite fizik derslerinin vazgeçilmez klasiklerinden biridir. Bu deneyde amaç, öğrencilerin baloncuklu naylon, pipet veya çeşitli başka malzemeler kullanarak, yumurtayı yüksek bir mesafeden (örneğin 10 metre kadar) düşürdükten sonra sağlam kalmasını sağlayacak bir düzenek inşa etmektir. Hatta, yumurtanın hiçbir koruyucu olmadan doğrudan aşağıdaki bir kabın içine bırakıldığı 'çıplak yumurta' versiyonları bile bulunur.
Bu yarışma, öğrencilere yapısal mekanikler ve çarpma fiziği hakkında bilgi vermeyi hedefler, ancak hiç de kolay bir iş değildir; düşürülen yumurtaların çoğu kırılır. Peki, neden bu kadar yüksek bir başarısızlık oranı var? Bu soru, MIT'den mühendislik profesörü ve ekibi tarafından incelendi ve bulgularını Nature Communications Physics dergisinde yayımlanan yeni bir makalede raporladılar.
Klasik düşünceye göre, yumurtanın yere dikey konumda çarpması en iyisidir. Ancak kontrollü laboratuvar ortamında yaptıkları simülasyonlar, bu yaygın kabul gören bilginin sorgulanması gerektiğini ortaya koyuyor.
Aslında, yumurtanın dikey yöndeki dayanıklılığına dair sezgisel bir fikrimiz var. Örneğin, birkaç kutu yumurtanın üzerinde, yumurtaları kırmadan yürüyebilmek popüler bir fizik hilesidir. Tek bir yumurta kabuğunu kırmak için genellikle yaklaşık 2.5 kilogramlık bir kuvvet yeterlidir, ki bu da ortalama bir yetişkinin ağırlığından çok daha azdır. Ancak yumurtaları dikey yönde hizalayıp ağırlığı tüm yüzey alanına dağıtmak, tek bir kabuk üzerine binen yükü azaltarak kırılmayı önleyebilir.
Yumurta kabuğunun bu dayanıklılığı, yapısından kaynaklanır. Büyük ölçüde diş minesi veya deniz kabuklarına benzer kalsiyum karbonat kristallerinden oluşur ve bu kristaller bir protein matrisi içine gömülüdür. İç kısımdaki ince bir kolajen tabakası kabuğu daha da güçlendirir. Bu yapı, çatlakların tek bir temiz kırık yerine azar azar yayılmasına yardımcı olarak hasarın lokalize kalmasını sağlar.
Araştırmacılar, çalışmanın girişinde Jonathan Swift'in Gulliver'in Gezileri'ndeki Lilliput ve Blefuscu halkları arasındaki yumurtayı kırmak için en iyi yönelim konusundaki anlaşmazlığa bile atıfta bulunuyorlar. Tabii ki, bir de şeflerin kullandığı, yumurtayı parmaklar ve başparmak arasına alıp keskin kenarını kasenin kenarına vurarak temiz bir kırık elde etme tekniği var. Ancak amatörlerin denediğinde bu genellikle dağılmış bir yumurta karmaşasıyla sonuçlanır.
MIT bilim insanları daha önce de bir yumurtanın merkezine ne kadar kuvvet uygulanması gerektiğini hassas bir şekilde incelemişlerdi. Yumurta kabuğunun oval geometrisi ile rijitliği (sertliği) arasındaki ilişkiyi kuran matematiksel bir formül geliştirmişlerdi. Rijitlik, bir nesnenin kırılmadan önce ne kadar kuvvete dayanabileceğini belirleyen bir özelliktir (dayanıklılık ile ilişkili ama farklı bir kavram). Yumurtanın en dar ucu, eğriliğin arttığı için en çatlamaya dirençli kısmıdır. Parmaklarınızla yumurtanın alt ve üst uçlarına bastırdığınızda bu yüzden kırılmaz. Ancak yumurtayı yatay çevirip tam ortasına bastırırsanız, kabuk kolayca çatlar.
Sertlik mi, Dayanıklılık mı?
Peki, MIT'nin son bulgularında neler oluyor? Araştırmacılar bunu öğrenmek için 180 tavuk yumurtası satın aldı ve laboratuvarda kendi yumurta düşürme deneylerini gerçekleştirdi. Üç farklı yükseklikten (8, 9 ve 10 milimetre - bu yüksek düşüşlerin sonundaki çarpma dinamiğini simüle etmek için kontrollü testlerdir) yumurtaları üç farklı yönde (yatay, sivri ucu aşağı dikey, küt ucu aşağı dikey) sert bir yüzeye bıraktılar. Ayrıca ek 60 yumurtayı dikey ve yatay yönelimlerde kırmak için sıkıştırma testlerine tabi tuttular.
Sonuçlar oldukça şaşırtıcıydı: Yumurtaların yarısından fazlası, hangi ucu aşağıda olursa olsun, 8 milimetre yükseklikten dikey olarak bırakıldığında kırıldı. Ancak yatay olarak bırakılan yumurtaların sadece yüzde onundan azı kırıldı. Yumurtalar, kuvvete 45 Newton'u aştığında kırılıyordu; bu, yumurtanın yöneliminden bağımsız etkileyici bir yük taşıma kapasitesi.
Bununla birlikte, dikey ve yatay sıkıştırma testlerinde yumurtaların deforme olma şekli arasında önemli bir fark vardı: Dikey sıkıştırılanlar, yatay sıkıştırılanlardan daha az deforme oldu. Kabuğun uzun ekseni boyunca daha fazla rijitliği (sertliği), ağır yükün yüzeye dağılması açısından bir avantajdı (Tek elle yumurta kırma tekniğinin yatay tutulan yumurtanın merkezini hedef almasının nedeni de budur).
Ancak araştırmacılar, bu rijitlik avantajının yüksekten düşerken bir dezavantaj olduğunu buldu. Yatay pozisyon, düşüşten sağ çıkmak için en uygun yönelim olarak ortaya çıktı. Bu durum, yumurtanın deforme olması için ne kadar kuvvet gerektiği (sertlik) ile yumurtanın çatlamadan önce ne kadar enerji emebileceği (dayanıklılık) arasındaki farka dayanıyor.
MIT ekibinin deneyleri, yumurtaların ekvatorları boyunca yatay olarak yüklendiğinde daha dayanıklı, dikey olarak sıkıştırıldığında ise daha sert olduğunu gösterdi. Araştırmacılar, “Yumurta, ekvatoru üzerine düşürüldüğünde çatlamadan daha yüksek düşüş yüksekliklerine dayanabilir” diye yazdı. “Yumurtalar dikey yönde daha yüksek bir kuvvete dayanabilse bile, bu onların o yönelimde düştüğünde kırılma olasılıklarının daha düşük olduğu anlamına gelmez. Statik yüklemenin aksine, dinamik bir darbenin ardından sağlam kalmak için bir cismin, kinetik enerjisinin tamamını tersine çevrilebilir deformasyona dönüştürerek absorbe edebilmesi gerekir.”
Araştırmacılar, “Yumurtaların bir düşüşten sağ çıkabilmesi için sert değil, dayanıklı olması gerekir” sonucuna vardı. Bunu, örneğin zıpladıktan sonra yere inerken dizlerimizi kilitlemek yerine bükmemiz gerektiği yönündeki sezgisel anlayışımıza benzetiyorlar. “Sonuçlarımız ve analizimiz, dilin bir sistemi anlama şeklimizi nasıl etkileyebileceğine ve bir problemi yanlış çerçevelemenin yanlış anlaşılmalara ve yanlış eğitime yol açabileceğine dair uyarıcı bir hikaye niteliğinde.”
