Nová teorie o fragmentaci materiálů
Když se materiály rozbíjejí, vznikají fragmenty v rozpoznatelném mixu velkých kusů a velmi malých střepů. Ale proč se věci rozbíjejí tímto způsobem? Francouzský fyzik nyní vytvořil zákon, který přesně popisuje, jak k tomuto fragmentaci dochází, bez ohledu na materiál nebo měřítko.
Emmanuel Villermaux z univerzity Aix-Marseille popisuje své nálezy v odborném časopise Physical Review Letters. Objevil, že ať už rozbijete sklenici, rozdrtíte cukrový kostek nebo necháte explodovat bublinu mýdla, rozložení úlomků vždy sleduje stejný matematický vzor.
Vědec začal zkoumat tuto problematiku z jednoduchého konceptu: když se něco rozbije, příroda si vždy vybírá nejchaotičtější výsledek. Tento jev nazývá „maximální náhodností“. Představte si, že hodíte puzzle do vzduchu: kousky nespadnou pěkně seřazené, ale rozptýlí se co nejnepořádněji. Přesně tak funguje i proces rozbití.
Ale tato chaotická povaha má své hranice. Existuje také zákon zachování: celkové množství materiálu zůstává konstantní a poměr mezi velkými a malými kusy nemůže být náhodný. Spojením těchto dvou principů mohl Villermaux přesně předpovědět, kolik velkých a malých fragmentů vznikne při rozpadu předmětu.
Aby otestoval svou teorii, provedl jednoduchý experiment: rozdrtil cukrové kostky. Protože cukrový kostek má trojrozměrný tvar, mohl předpovědět, jaký vzor budou úlomky sledovat. A skutečně, teorie přesně odpovídala praxi. Co víc, zákon se ukázal jako platný také pro desítky let výzkumných dat o rozbitých materiálech. Tento zákon platí stejně pro plastový odpad v oceánu jako pro kamenné nástroje pravěkých lidí.
Ne všechny materiály se rozbíjejí stejně
Existují ovšem omezení této objevy. Zákon funguje pouze v případě, že se tvrdý materiál náhle a náhodně rozbije, například talíř, který spadne na zem. U měkkých materiálů se příběh neodvíjí stejným způsobem. Také zákon nefunguje dobře, když rozbití probíhá systematicky. Například vodní paprsek vycházející z kohoutku se rozbíjí na kapky, které jsou všechny přibližně stejně velké, protože povrchové napětí proces řídí. Tato pravidelnost se nehodí do chaotického modelu.
Proč jsme to dosud nevěděli?
Že se věci rozbíjejí na kusy, se může zdát jednoduché, ale pro fyziky to bylo dlouho hlavolam. Ti, kteří zkoumali, jak praská pevná látka, se rychle ztráceli v komplikovaných detailech: mikroskopické praskliny, které se větví, zóny, kde je materiál slabší, nebo malé tlakové vlny, které procházejí objektem. Jiní vědci zase chápali fragmentaci jako jakýsi přechod: jakmile do objektu vložíte dostatek energie, rozpadne se, jako kdybyste překročili prahovou hodnotu.
Problém? Všechny tyto myšlenky pracovaly pouze pro specifické situace. Dalo se jimi dobře vysvětlit, jak se kus horniny rozbíjí, ale už ne, jak praskne bublina mýdla, nebo proč se plastový odpad v moři rozpadá do stejných vzorů jako spadlá sklenice. Chyběl základní princip, který by všechno spojoval.
Objev Villermauxe spočívá právě v tom. Místo toho, aby se soustředil na to, jak praskliny vznikají, se zaměřil na širší obraz. Co zůstává, když odstraníte všechny detaily? Ukazuje se, že existuje jeden jednoduchý základní princip, který všechno řídí: věci se rozbíjejí co nejvíce náhodně, ale přesto v rámci přírodních zákonů. Z této kombinace chaosu a zachování přirozeně vzniká vzor, který se objevuje kdekoli.
