Przez dziesięciolecia fizycy obserwowali wzór niszczenia obiektów, od potłuczonych płyt po załamujące się fale. Teraz nowe równanie, opracowane przez Emmanuela Villermeau z Uniwersytetu w Aix-Marsylia we Francji, ujęło to zjawisko w uniwersalnym prawie fragmentacji. Ten przełom oznacza, że niezależnie od materiału i układu pęknięć, rozkład wielkości fragmentów będzie przebiegał według przewidywalnego wzorca.
Podstawowa zasada: maksymalizuj bałagan
Zamiast skupiać się na mikroskopijnych szczegółach pęknięć, Villermo cofnął się. Rozważył wszystkie możliwe sposoby zniszczenia przedmiotu, a następnie określił najbardziej prawdopodobny wynik: najbardziej chaotyczny i nieregularny wzór zniszczenia. Podejście to przypomina sposób, w jaki opracowano podstawowe prawa fizyki w XIX wieku poprzez analizę dużych zespołów cząstek. Klucz leży w entropii – tendencji systemów do zmierzania w stronę maksymalnego nieporządku.
Villermo połączył tę zasadę z ustalonym wcześniej prawem regulującym zmianę gęstości fragmentów podczas niszczenia. Połączenie tych składników umożliwiło mu sformułowanie równania, które dokładnie przewidywało, ile fragmentów każdego rozmiaru powstanie po rozbiciu.
Potwierdzenie w różnych systemach
Aby przetestować równanie, Villermo porównał swoje przewidywania z danymi eksperymentalnymi dotyczącymi szerokiego zakresu pęknięć: szklanych prętów, suchego spaghetti, płytek ceramicznych, plastiku oceanicznego, a nawet fal rozbijających się o wzburzone morze. Prawo sprawdziło się we wszystkich tych scenariuszach, konsekwentnie odtwarzając znajomy kształt wykresu, który badacze obserwowali od lat. Równanie zostało nawet zweryfikowane poprzez prosty eksperyment z rozbijaniem kostek cukru z jego córkami, udowadniając jego niezawodność w codziennych sytuacjach.
Ograniczenia i przyszłe kierunki
Prawo nie jest doskonałe. Nie ma zastosowania do bardzo regularnych wzorów pęknięć, takich jak jednolite kropelki utworzone ze strumienia cieczy lub gdy fragmenty oddziałują podczas pękania. Jednak w przypadku chaotycznego, niekontrolowanego zniszczenia zapewnia niespotykany dotąd poziom mocy predykcyjnej.
Ferenc Kuhn z Uniwersytetu w Debreczynie na Węgrzech zauważa, że chociaż wszechobecność wzoru fragmentacji sugerowała podstawową zasadę, szerokie zastosowanie prawa jest zaskakujące. Zwraca również uwagę na możliwość dostosowania równania, zauważając, że można je modyfikować w celu uwzględnienia określonych ograniczeń, takich jak samonaprawiające się pęknięcia, które czasami obserwuje się w tworzywach sztucznych.
Praktyczne zastosowanie
Zrozumienie fragmentacji to nie tylko ćwiczenie akademickie. Kuhn sugeruje, że prawo to mogłoby mieć praktyczne zastosowanie w takich obszarach, jak górnictwo przemysłowe, gdzie optymalizacja niszczenia rud mogłaby poprawić wydajność. Może także pomóc w przewidywaniu i łagodzeniu osuwisk, które stają się coraz częstsze w regionach górskich wraz ze wzrostem globalnej temperatury.
Przyszłe badania mogłyby zbadać rozkład kształtów fragmentów, a nie tylko rozmiary, i określić teoretyczny minimalny rozmiar fragmentu. Jak dotąd równanie Villermo jest przełomowym osiągnięciem w zrozumieniu jednego z najczęstszych, ale tajemniczych procesów zachodzących w przyrodzie.
„Równanie nie sprawdza się w przypadkach, gdy nie ma przypadkowości, a proces fragmentacji jest zbyt regularny” – wyjaśnia Villermo, podkreślając zależność prawa od chaotycznej destrukcji.
