Uova Spaccatesta: Più Forti in Orizzontale? La Scienza Ribalta le Credenze Comuni!

Amici scienziati e curiosi di ogni età, quante volte abbiamo sentito dire, magari durante qualche esperimento scolastico tipo “salva l’uovo”, che per non rompere un uovo facendolo cadere bisogna orientarlo in verticale? L’idea è che, come un arco o una cupola, l’uovo sia più “forte” se caricato sulle sue estremità. Sembra quasi una di quelle verità incrollabili, tramandate di generazione in generazione, un po’ come le dispute tra Lilliput e Blefuscu nei Viaggi di Gulliver su quale fosse il modo giusto per rompere un uovo. Ma, come spesso accade nella scienza, il “buon senso” a volte ci tira dei brutti scherzi.

Vedete, le strutture a guscio, come quelle delle uova, sono ovunque in natura: pensate ai gusci delle tartarughe, alle conchiglie, persino ai nostri crani o alle membrane esterne di virus e batteri. Capire come si rompono è fondamentale per un sacco di applicazioni, dalla progettazione di equipaggiamenti protettivi fino al rilascio controllato di farmaci. Ecco perché la sfida dell'”egg drop” è così popolare nelle scuole: introduce i giovani alle basi della meccanica strutturale e degli impatti. Peccato che, spulciando manuali e tutorial online, l’idea che l’uovo sia più resistente in verticale (come in Fig.1 del testo originale, per intenderci) sia data quasi per scontata. Ma è davvero così?

Staticamente parlando: forza o energia?

Per rispondere a questa domanda, ci siamo messi d’impegno e abbiamo rotto un bel po’ di uova, più di 200 per la precisione! Non a caso, eh, ma usando strumentazione di alta precisione per registrare cosa succede sia in condizioni statiche (schiacciandole lentamente) sia dinamiche (facendole cadere). E abbiamo affiancato a tutto ciò delle belle simulazioni numeriche.

Partiamo dai test statici. Abbiamo preso 60 uova e le abbiamo schiacciate con una macchina apposita, alcune messe in verticale, altre in orizzontale. Mentre l’uovo veniva compresso, misuravamo la forza applicata. Sorpresa! La forza massima che un uovo può sopportare prima di creparsi è risultata molto simile nei due orientamenti: circa 46.0 N per il verticale e 45.2 N per l’orizzontale. Quindi, non è vero che l’uovo è più “forte” (nel senso di resistere a una forza maggiore) se messo in verticale.

Ma allora, qual è il trucco? Se la forza massima è la stessa, cosa cambia? Cambia lo spostamento! Abbiamo notato che le uova caricate orizzontalmente si deformavano circa il 30% in più prima di rompersi (0.213 mm contro 0.161 mm). Questo significa che, a parità di forza massima, l’uovo in orizzontale è meno rigido, più “cedevole”. E qui entra in gioco un concetto chiave: l’energia. L’energia che un materiale può assorbire prima di rompersi (la sua tenacità) è data dall’area sotto la curva forza-spostamento. Se la forza massima è simile, ma lo spostamento è maggiore, l’uovo in orizzontale assorbe circa il 30% di energia in più prima di fare “crack”! E questa differenza è statisticamente significativa. Quindi, possiamo dire che le uova sono più tenaci se caricate orizzontalmente.

Anche i pattern di rottura sono diversi: in orizzontale, le crepe tendono a propagarsi lungo l’equatore, spaccando l’uovo a metà; in verticale, spesso si formano crepe a spirale dalla punta, portando al collasso del guscio. Le nostre simulazioni al computer, che modellavano il guscio e un tuorlo liquido viscoso, hanno confermato queste osservazioni: stessa forza di picco, maggiore cedevolezza in orizzontale e pattern di rottura simili. Questo ci dice che le considerazioni meccaniche di base sono sufficienti a spiegare il fenomeno.

E se lo facciamo cadere? I test di caduta confermano

Ok, staticamente l’uovo orizzontale è più tenace. Ma questo si traduce in una maggiore resistenza alla caduta? Per scoprirlo, abbiamo fatto cadere altre uova! Abbiamo usato un sistema con solenoidi per farle cadere da diverse altezze (8, 9 e 10 mm) su un sensore di forza, orientandole verticalmente (sia sulla punta che sulla base più larga) o orizzontalmente. Abbiamo fatto 60 test per ogni orientamento.

I risultati? Nessuna differenza significativa tra caduta sulla punta o sulla base in verticale. Ma una differenza netta tra configurazione verticale e orizzontale! Il numero di uova rotte quando impattavano sull’equatore (orizzontalmente) era inferiore rispetto a quelle che impattavano sui poli (verticalmente). Insomma, sembra proprio che un uovo fatto cadere sul suo equatore abbia più probabilità di sopravvivere.

Anche qui, le simulazioni dinamiche ci hanno dato una mano, usando gli stessi parametri del modello calibrati con i test statici. Le simulazioni hanno previsto che, per rompersi, un uovo in verticale deve cadere da un’altezza di 8.6 mm. Se orientato orizzontalmente, invece, poteva resistere fino a 0.3 mm in più. Una piccola differenza, ma reale, a favore dell’orientamento orizzontale. Inoltre, le curve forza-tempo delle uova intatte mostravano un tempo di contatto più lungo per l’orientamento orizzontale, segno di maggiore cedevolezza anche nell’impatto dinamico.

Perché il “senso comune” ci ha ingannato? Rigidezza non è Tenacità!

A questo punto, la domanda sorge spontanea: perché la credenza comune è così radicata? Analizziamo un po’ la logica fallace:

• “Le uova sono più rigide se caricate in verticale.” Questo è vero. I nostri esperimenti e simulazioni lo confermano.
• “Questo significa che le uova possono sostenere più forza se caricate in verticale.” Questo non è necessariamente vero. La forza di picco può dipendere da altri fattori. E infatti, noi non abbiamo trovato differenze statistiche nella forza di picco.
• “Poiché un uovo può sostenere una forza maggiore in verticale, è meno probabile che si rompa durante un impatto.” Questo è sbagliato. Anche se potessero sostenere più forza (e abbiamo visto che non è così), non implicherebbe una minore probabilità di rottura alla caduta. Per sopravvivere a un impatto, un corpo deve assorbire tutta la sua energia cinetica trasformandola in deformazione reversibile. L’energia assorbibile (tenacità) è E = FΔ/2. Se l’energia cinetica K e la forza F sono indipendenti dall’orientamento, e dato che la rigidezza k è maggiore in verticale, ci si aspetterebbe che l’energia E sia maggiore in orizzontale. Ed è proprio quello che abbiamo visto!

L’inghippo sta nella definizione di uovo “forte”. Molti confondono la rigidezza con la resistenza in tutti i sensi. Ma per sopravvivere a una caduta, le uova devono essere tenaci, non rigide. È intuitivo: quando cadiamo, pieghiamo le ginocchia, non le teniamo rigide. Le nostre gambe sono più “deboli” o cedevoli se piegate, ma sono più tenaci e quindi “più forti” durante l’impatto, subendo una forza minore per una distanza maggiore.

Questi risultati sono una sorta di monito su come il linguaggio possa influenzare la nostra comprensione e come un’errata impostazione di un problema possa portare a malintesi. Spero che questa nuova prospettiva aiuti futuri scienziati e ingegneri a capire meglio come oggetti e strutture reagiscono agli impatti e ai carichi dinamici. La prossima volta che vi cade un uovo, sapete come provare a orientarlo… anche se, diciamocelo, la cosa migliore è non farlo cadere affatto!

Fonte: Springer