Univerzální zákon fragmentace: Jak objekty praskají na kusy
Upadlá talíř, rozpadlý cukrový kostka a rozbitý sklenička se zdají následovat stejný zákon fyziky, pokud jde o to, kolik fragmentů určité velikosti se odlomí.
Po několik desetiletí vědci věděli, že proces fragmentace, kdy se objekt rozbije na mnoho částí, má něco univerzálního. Pokud byste spočítali, kolik fragmentů existuje v každé možné velikosti a vytvořili graf této distribuce, měl by stejný tvar, bez ohledu na to, jaký objekt se rozbil. Emmanuel Villermaux z Aix-Marseille University ve Francii nyní odvodil rovnici, která tento tvar vysvětluje, čímž formuluje univerzální zákon pro to, jak se objekty rozbíjejí.
Místo zaměření se na detaily, jak se ve objektu objevují trhliny, se Villermaux zaměřil na širší pohled. Zohlednil všechny možné sady fragmentů, do kterých se objekt může rozbít. Některé sady by zahrnovaly vysoce specifické výsledky, jako je váza rozbitá na čtyři stejné kusy. Vybral si však sadu s nejvyšší pravděpodobností, která zachytila rozbití, jež byla chaotická a nepravidelná. Podobně jako mnohé zákony týkající se velkých souborů částic byly odvozeny v 19. století, říká. Kromě toho Villermaux použil zákon fyziky, který popisuje změny v celkové hustotě fragmentů, když se objekt rozbíjí, který předtím nalezl se svými kolegy.
Tato dvě východiska umožnila Villermauxovi odvodit jednoduchou rovnici, která předpovídá, kolik fragmentů každé velikosti by měl breaking object vyprodukovat. Aby zjistil, jak dobře metoda funguje, porovnal ji s celou řadou minulých experimentů, ve kterých se rozbíjeli skleněné tyče, sušené špagety, talíře, keramické trubice a dokonce plastové fragmenty v oceánu a vlny na rozbouřeném moři. Všechny případy ukázaly, že způsob fragmentace odpovídal jeho novému zákonu, zachycujíc univerzální tvar grafu, který výzkumníci viděli dříve.
Provedl také sérii experimentů, kde rozbil cukrovou kostku tím, že z různých výšek na ni spustil objekt. „To byl letní projekt s mými dcerami. Dělal jsem to před dlouhou dobou, když byly mé děti ještě malé, a pak jsem se k datům vrátil, protože dobře ilustrovala můj názor,“ říká Villermaux. Rovníce však nefunguje v případech, kdy neexistuje náhodnost a proces fragmentace je příliš pravidelný, například když proud kapaliny praská na mnoho kapek stejné velikosti podle deterministických zákonů fluidní fyziky, a v některých případech, kdy fragmenty vzájemně interagují během rozbíjení, dodává.
Ferenc Kun z Univerzity v Debrecínu v Maďarsku říká, že vzhledem k tomu, jak rozšířený je tvar grafu, který analýza Villermauxe vysvětlila, není překvapivé, že vychází z většího principu. Zároveň je úžasné, jak široce to funguje a jak může být upraveno v některých případech, kde jsou další omezení, jako v plastu, kde se trhliny mohou někdy „uzdravit“, říká.
Fragmentace není jen zajímavý fyzikální problém. Lepší porozumění tomuto procesu by mohlo mít reálné důsledky pro to, jak se energie vynakládá na rozbíjení rudy v průmyslovém hornictví, například, nebo jak se připravujeme na sesuvy půdy, které se stále častěji vyskytují v horských oblastech, jak rostou globální teploty, říká Kun.
Do budoucna se Kun domnívá, že by bylo zajímavé zvážit distribuci nejen velikostí fragmentů, ale také jejich tvarů. Další otevřenou otázkou je, jaká by mohla být nejmenší možná velikost fragmentu, říká Villermaux.
