Dlaczego emoji kupy wygląda właśnie tak? Fizyka rozwiązała zagadkę, która męczyła Darwina

Słynny wir kupy — szerszy u podstawy, zwężający się ku górze niczym lody z automatu — nie jest dziełem ewolucji ani przypadku. To czysta fizyka. I rozwiązuje zagadkę, która intrygowała nawet Karola Darwina.

Grawitacja rysuje spiralę

→ Czytaj też: Fizycy słuchają muzyki wszechświata. Co usłyszą?

Większość zwierząt wypróżnia się w dół. Gdy kolejne zwoje materiału rosną w górę, maleje wysokość, z której spada następna porcja. A skoro spada z niżej, tworzy mniejszy zwój.

Tak powstaje charakterystyczny stożek: szeroki na dole, coraz węższy ku szczytowi. Identyczny z tym, który widnieje na ekranach smartfonów. Badanie opisane przez New Atlas pokazuje, że za ten kształt odpowiada nie anatomia, lecz prawa fizyki ciał miękkich.

Robaki, które łamią regułę

→ Czytaj też: Naukowcy potwierdzili istnienie czasu bez zegara. Jak to możliwe?

Są jednak wyjątki. Niektóre robaki, jak nereida (lugworm), wypróżniają się… do góry. Wbrew grawitacji.

Efekt jest zupełnie inny. Zamiast zwężającego się stożka powstaje wieża o stałym, jednolitym promieniu zwoju.

„Nereidy ukazują nietypowy reżim mechaniczny: wyciskają miękki materiał w górę, wbrew grawitacji, więc ich odchody badają antygrawitacyjne wyboczenie miękkich ciał stałych, a nie grawitacyjne zwijanie obserwowane u większości zwierząt, gdzie promień zwoju zależy od wysokości kupy” — tłumaczy Daniel Bonn z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Amsterdamskiego.

Prawa zwijania elastycznych lin

Odpowiedzi dostarcza matematyka opisująca, jak zwijają się liny i inne elastyczne materiały. Bonn pracował nad tym z Mehdim Habibim z Wageningen University oraz Neilem M. Ribe’em z CNRS/Université Paris-Saclay.

Kluczowe okazały się dwa czynniki: sztywność materiału oraz kierunek grawitacji względem kierunku wyciskania. To fizyka, nie biologia, decyduje o kształcie pojedynczej kupy.

Co z różnicami między gatunkami? Promień zwoju zależy od średnicy materiału, jego sprężystości i gęstości. Te dwie ostatnie cechy zmieniają się nieco wraz z dietą, ale niewiele.

• Dżdżownice Darwina mają małą średnicę odchodów, więc tworzą maleńkie zwoje.
• Nereidy są znacznie większe i formują o wiele większe spirale.

„Myślę, że to główny wpływ biologii” — komentuje Bonn. Reszta to czysta mechanika.

Od makaronu do sprężyn

Te same prawa rządzą zaskakująco wieloma materiałami. Naukowcy testowali je na wyciskanym cieście grochowym, a nawet na makaronie.

„Istnieje mnóstwo produktów spożywczych powstających przez wytłaczanie — pomyśl o makaronach, kluskach, wszelkiego rodzaju słodyczach” — wskazuje Bonn. Spirala lodów z automatu rządzi się dokładnie tą samą fizyką co charakterystyczny kształt emoji.

Zastosowania sięgają dalej niż kuchnia. „W inżynierii może to być bardzo prosty sposób na wytwarzanie sprężyn” — ocenia badacz. Przesuwając podłoże w trakcie zwijania, można tworzyć rozmaite struktury i wzory.

Nowe emoji w drodze?

Praca ukazała się w Nature Communications. A zespół ma plany wykraczające poza laboratorium.

Bonn i współpracownicy chcą zaprojektować drugie emoji kupy — oparte na nereidzie, z jednolitą wieżą zamiast stożka — i oficjalnie zaproponować je konsorcjum Unicode. Być może niebawem w telefonie pojawi się alternatywny symbol, narysowany przez fizyków zamiast grafików.

Zagadka, nad którą głowił się Darwin, doczekała się odpowiedzi. I jak często w nauce bywa, najbardziej błaha z pozoru obserwacja prowadzi do uniwersalnych praw — od dna oceanu po linię produkcyjną makaronu.