Физики разработали универсальный закон разрушения объектов

Упавшая тарелка, разбитый кубик сахара и разбитый стакан, кажется, подчиняются одному и тому же закону физики, когда речь идет о том, на сколько фрагментов заданного размера они разобьются.

На протяжении нескольких десятилетий исследователи знали, что есть что-то универсальное в процессе фрагментации, когда объект разбивается на множество частей при падении или ударе. Если подсчитать, сколько фрагментов существует каждого возможного размера, и построить график этого распределения, он будет иметь одинаковую форму независимо от разбившегося объекта. Эммануэль Виллермо в Университете Экс-Марсель во Франции вывели уравнение, объясняющее эту форму, эффективно сформулировав универсальный закон для как предметы ломаются.

Вместо того, чтобы сосредоточиться на деталях как появляются трещины в объекте до того, как он фрагментируется, он применил более уменьшенный подход. Виллермо рассмотрел все возможные наборы фрагментов, на которые может разбиться объект. Некоторые наборы будут включать в себя весьма специфические результаты, например, если ваза разобьется на четыре равные части. Он выбрал наиболее вероятный набор с самой высокой энтропией, в котором были зафиксированы беспорядочные и нерегулярные поломки. Это похоже на то, как в XIX веке были выведены многие законы, касающиеся больших ансамблей частиц.^й века, говорит он. Кроме того, Виллермо использовал закон физики, описывающий изменения общей плотности фрагментов при разрушении объекта, который он и его коллеги ранее обнаружили.

Вместе эти два ингредиента позволили ему вывести простое уравнение, предсказывающее, сколько фрагментов каждого размера должно образоваться при разрушении объекта. Чтобы увидеть, насколько хорошо это работает, Виллермо сравнил его с множеством прошлых экспериментов с разбитыми стеклянными решетками, сухими спагетти, тарелками, керамическими трубками и даже пластиковыми фрагментами в океане и волнами, разбивающимися о неспокойное море. В целом то, как фрагментация проявлялась в каждом из этих сценариев, соответствовало его новому закону, отражающему повсеместную форму графика, которую исследователи видели раньше.

Он также провел серию экспериментов, в ходе которых разбил кубик сахара, уронив на него предмет с разной высоты. “Это был летний проект с моими дочерьми. Я сделал это давно, когда мои дети были еще маленькими, а затем вернулся к данным, потому что они хорошо иллюстрировали мою точку зрения”, – говорит Виллермо. Уравнение не работает в тех случаях, когда нет случайности и процесс фрагментации слишком регулярен, например, когда струя жидкости распадается на множество капель одинакового размера, следуя детерминированным законам физики жидкости, а также в некоторых случаях, когда фрагменты взаимодействуют друг с другом во время разрушения, говорит он.

Ференц Кун из Университета Дебрецена в Венгрии говорят, что, поскольку форма графика, объясненная анализом Виллермо, настолько распространена, неудивительно, что она вытекает из более важного принципа. В то же время удивительно, насколько широко он работает и как его можно изменить в некоторых случаях, когда существуют дополнительные ограничения, например, в пластике, где трещины иногда могут «заживать», говорит он.

Фрагментация — это не просто интересная физическая проблема. Лучшее понимание этого может иметь реальные последствия для того, как энергия тратится на разрушение руды в промышленная добычанапример, или как мы готовимся к камнепадам, которые все чаще случаются в горных регионах по мере того, как глобальная температура повышаетсяСали Кун.

В дальнейшем, говорит Кун, может быть интересно рассмотреть распределение не только размеров фрагментов, но и их формы. Кроме того, остается открытым вопрос, каким может быть наименьший возможный размер фрагмента, говорит Виллермо.