Десятиліттями фізики спостерігали закономірність руйнування об’єктів, від розбитих пластин до хвиль, що розбиваються. Тепер нове рівняння, розроблене Еммануелем Віллермо з Університету Екс-Марселя у Франції, відобразило це явище в універсальному законі фрагментації. Цей прорив означає, що незалежно від матеріалу чи структури руйнування, розподіл розмірів фрагментів буде передбачуваним.
Основний принцип: Максимізація безладу
Замість того, щоб зосередитися на мікроскопічних деталях тріщин, Віллермо відступив. Він розглянув усі можливі способи, якими об’єкт може зламатися, а потім визначив найбільш імовірний результат: найбільш хаотичний і нерегулярний шаблон руйнування. Цей підхід подібний до того, як фундаментальні закони фізики були розроблені в 19 столітті шляхом аналізу великих ансамблів частинок. Ключ лежить в ентропії — тенденції систем рухатися до максимального безладу.
Віллермо поєднав цей принцип із встановленим раніше законом, що регулює зміну щільності осколків під час руйнування. Разом ці компоненти дозволили йому сформулювати рівняння, яке точно передбачало, скільки осколків кожного розміру утвориться при розбитті.
Підтвердження в різних системах
Щоб перевірити рівняння, Віллермо порівняв свої прогнози з експериментальними даними про широкий спектр подій руйнування: скляні стрижні, сухі спагетті, керамічні пластини, океанський пластик і навіть хвилі, що розбиваються в бурхливому морі. Закон виконувався в усіх цих сценаріях, послідовно відтворюючи знайому форму графіка, яку дослідники спостерігали роками. Рівняння навіть було перевірено шляхом простого експерименту з розбиванням кубика цукру з його дочками, що довело його надійність у повсякденних ситуаціях.
Обмеження та майбутні напрямки
Закон не бездоганний. Це не стосується дуже регулярних структур руйнування, таких як однорідні краплі, що утворюються з потоку рідини, або коли фрагменти взаємодіють під час руйнування. Однак для хаотичного, неконтрольованого руйнування він забезпечує безпрецедентний рівень передбачуваної сили.
Ференц Кун з Університету Дебрецена в Угорщині зазначає, що, незважаючи на те, що всюдисущість моделі фрагментації свідчить про основоположний принцип, широка застосовність закону викликає подив. Він також вказує на адаптивність рівняння, зазначивши, що його можна модифікувати для врахування певних обмежень, таких як самозагоювальні тріщини, які іноді спостерігаються в пластмасі.
Практичне застосування
Розуміння фрагментації — це не просто академічна вправа. Кун припускає, що закон може мати практичне застосування в таких сферах, як промисловий видобуток, де оптимізація руйнування руди може підвищити ефективність. Це також може допомогти передбачити та пом’якшити зсуви, які стають більш поширеними в гірських регіонах із підвищенням глобальної температури.
У майбутніх дослідженнях можна вивчити розподіл форм фрагментів, а не лише розмірів, і визначити теоретичний мінімальний розмір фрагментів. Поки що рівняння Віллермо є знаковим досягненням у розумінні одного з найпоширеніших, але загадкових процесів у природі.
«Рівняння не працює у випадках, коли немає випадковості, а процес фрагментації надто регулярний», — пояснює Віллермо, наголошуючи на залежності закону від хаотичного руйнування.
