Десятилетиями физики наблюдали закономерную картину разрушения объектов — от разбитых тарелок до ломающихся волн. Теперь, новое уравнение, выведенное Эммануэлем Вильермо в Университете Экс-Марсе́ль во Франции, закрепило это явление в универсальном законе фрагментации. Этот прорыв означает, что независимо от материала или характера разрушения, распределение размеров фрагментов будет следовать предсказуемой модели.
Основной принцип: максимизация беспорядка
Вместо того чтобы фокусироваться на микроскопических деталях трещин, Вильермо отступил назад. Он рассмотрел все возможные способы, которыми может сломаться объект, а затем определил наиболее вероятный исход: самый хаотичный и нерегулярный узор разрушения. Этот подход похож на то, как фундаментальные законы физики разрабатывались в XIX веке путем анализа больших ансамблей частиц. Ключ лежит в энтропии — тенденции систем двигаться к максимальному беспорядку.
Вильермо объединил этот принцип с ранее установленным законом, регулирующим изменение плотности фрагментов во время разрушения. Вместе эти компоненты позволили ему сформулировать уравнение, которое точно предсказывает, сколько фрагментов каждого размера образуется при разрушении.
Подтверждение в различных системах
Чтобы проверить уравнение, Вильермо сравнил его предсказания с экспериментальными данными из широкого спектра событий разрушения: стеклянные стержни, сухие спагетти, керамические тарелки, океанский пластик и даже волны, разбивающиеся в неспокойном море. Закон оставался верным во всех этих сценариях, последовательно воспроизводя знакомую форму графика, наблюдаемую исследователями в течение многих лет. Уравнение было даже подтверждено простым экспериментом с разрушением сахарных кубиков с его дочерьми, что доказывает его надежность в повседневных ситуациях.
Ограничения и будущие направления
Закон не безупречен. Он не применим к высокорегулярным закономерностям разрушения, таким как равномерные капли, образующиеся из струи жидкости, или когда фрагменты взаимодействуют во время разрушения. Однако для хаотичных, неконтролируемых разрушений он обеспечивает беспрецедентный уровень прогностической силы.
Ференц Кун из Университета Дебрецена в Венгрии отмечает, что, хотя повсеместность закономерности фрагментации предполагала лежащий в основе принцип, широкая применимость закона удивительна. Он также указывает на адаптируемость уравнения, отметив, что его можно модифицировать для учета конкретных ограничений, таких как самовосстанавливающиеся трещины, иногда наблюдаемые в пластиках.
Практическое применение
Понимание фрагментации — это не только академическое упражнение. Кун предполагает, что закон может иметь практическое применение в таких областях, как промышленная добыча, где оптимизация разрушения руды может повысить эффективность. Он также может помочь в прогнозировании и смягчении обвалов, которые становятся все более частыми в горных районах из-за повышения глобальных температур.
Будущие исследования могут изучить распределение форм фрагментов, а не только размеров, и определить теоретический минимальный размер фрагмента. Пока уравнение Вильермо является знаковым достижением в понимании одного из самых распространенных, но загадочных процессов в природе.
«Уравнение не работает в случаях, когда нет случайности, и процесс фрагментации слишком регулярен», — объясняет Вильермо, подчеркивая зависимость закона от хаотичного разрушения.
