Decennia lang hebben natuurkundigen een consistent patroon waargenomen in de manier waarop objecten uiteenspatten – van gevallen platen tot brekende golven. Nu heeft een nieuwe vergelijking afgeleid door Emmanuel Villermaux van de Universiteit van Aix-Marseille in Frankrijk dit fenomeen gecodificeerd in een universele wet van fragmentatie. Deze doorbraak betekent dat, ongeacht het materiaal of de aard van de breuk, de verdeling van de fragmentgroottes een voorspelbaar patroon zal volgen.
Het kernprincipe: het maximaliseren van wanorde
In plaats van zich te concentreren op de microscopische details van scheuren, deed Villermaux een stapje terug. Hij overwoog alle mogelijke manieren waarop een object zou kunnen breken en identificeerde vervolgens de meest waarschijnlijke uitkomst: het meest rommelige, meest onregelmatige verbrijzelingspatroon. Deze benadering is vergelijkbaar met de manier waarop fundamentele wetten van de natuurkunde in de 19e eeuw werden ontwikkeld door grote ensembles van deeltjes te analyseren. De sleutel ligt in entropie – de neiging van systemen om naar maximale wanorde te evolueren.
Villermaux combineerde dit principe met een eerder vastgestelde wet die regelt hoe de fragmentdichtheid verandert tijdens verbrijzeling. Samen stelden deze componenten hem in staat een vergelijking te formuleren die nauwkeurig voorspelt hoeveel fragmenten van elke grootte het resultaat zullen zijn van een breuk.
Validatie over diverse systemen
Om de vergelijking te testen, vergeleek Villermaux zijn voorspellingen met experimentele gegevens van een breed scala aan schokkende gebeurtenissen: glazen staven, droge spaghetti, keramische platen, oceaanplastic en zelfs golven die neerstorten in een woelige zee. De wet gold voor al deze scenario’s en reproduceerde consequent de vertrouwde grafiekvorm die onderzoekers jarenlang observeerden. De vergelijking werd zelfs gevalideerd door een eenvoudig experiment waarbij hij samen met zijn dochters suikerklontjes verbrijzelde, wat de robuustheid ervan in alledaagse situaties bewees.
Beperkingen en toekomstige richtingen
De wet is niet waterdicht. Het is niet van toepassing op zeer regelmatige breukpatronen, zoals uniforme druppeltjes die ontstaan uit een vloeistofstraal, of wanneer fragmenten op elkaar inwerken tijdens het verbrijzelen. Voor chaotische, ongecontroleerde pauzes biedt het echter een ongekend niveau van voorspellende kracht.
Ferenc Kun van de Universiteit van Debrecen in Hongarije merkt op dat hoewel de alomtegenwoordigheid van het fragmentatiepatroon een onderliggend principe suggereerde, de brede toepasbaarheid van de wet opmerkelijk is. Hij wijst ook op het aanpassingsvermogen van de vergelijking en merkt op dat deze kan worden aangepast om rekening te houden met specifieke beperkingen, zoals de zelfherstellende scheuren die soms in kunststoffen worden waargenomen.
Implicaties in de echte wereld
Het begrijpen van fragmentatie is niet alleen een academische oefening. Kun suggereert dat de wet praktische toepassingen zou kunnen hebben op gebieden als industriële mijnbouw, waar het optimaliseren van het verbrijzelen van erts de efficiëntie kan verbeteren. Het kan ook helpen bij het voorspellen en verzachten van steeninstortingen, die steeds vaker voorkomen in bergachtige gebieden als gevolg van de stijgende temperaturen op aarde.
Toekomstig onderzoek zou de verdeling van fragmentvormen kunnen onderzoeken, en niet alleen de grootte, en de theoretische minimale fragmentgrootte kunnen bepalen. Voorlopig geldt de vergelijking van Villermaux als een mijlpaal in het begrijpen van een van de meest voorkomende en toch mysterieuze processen in de natuur.
“De vergelijking werkt niet in gevallen waarin er geen sprake is van willekeur en het fragmentatieproces te regelmatig is”, legt Villermaux uit, waarbij hij de nadruk legt op de afhankelijkheid van de wet op chaotische breuken.
