Осколки, обломки, обрывки: оказалось, абсолютно всё в мире разрушается по одному сценарию

Распределение и количество осколков подчиняется одной формуле – физики

Каждый раз, когда предмет разбивается – будь то тарелка, стекло или кусочек сахара, – в этом хаосе есть строгий порядок. Новое исследование доказало, что все эти разрушения подчиняются универсальному физическому закону. Он объясняет, на сколько и какого размера фрагменты распадается любой хрупкий объект. Об этом сообщает журнал Physical Review Letters.

Универсальный закон разрушения: от хаоса к формуле

Физики давно предполагали, что разрушение твердых тел подчиняется единым правилам. Но лишь профессор Эммануэль Вильермо из Университета Экс-Марсель сумел математически подтвердить это предположение. Его работа показала: если построить график распределения осколков по размерам, форма этого графика всегда будет одинаковой – независимо от материала, формы или массы разбиваемого предмета.

Вильермо подошел к проблеме не с точки зрения конкретных трещин, а статистически. Он рассматривал все возможные варианты того, как объект может распасться – от самых типичных до редких, когда, например, ваза делится на четыре равные части. Среди них ученый выделил вариант с наибольшей вероятностью, где разрушение носит хаотичный, но подчинённый энтропийным законам характер.

"Этот подход напоминает методы XIX века, когда физики выводили законы для больших ансамблей частиц", – отмечает Вильермо.

От теории к проверке на практике

Результатом исследования стала формула, которая предсказывает распределение размеров осколков при разрушении. Для проверки гипотезы Вильермо сравнил расчёты с десятками уже известных экспериментов: от разбивания стеклянных стержней и керамических трубок до данных о пластиковом мусоре в океане. И в каждом случае теория совпала с наблюдениями.

"Мы получили одну и ту же форму графика, независимо от того, что именно разрушалось", – говорится в отчёте исследователя.

Кроме анализа старых данных, физик сам провёл серию опытов – он сбрасывал на кубики сахара грузы с разных высот, наблюдая, как те раскалываются.

"Это был наш летний проект с дочерьми. Когда они были маленькими, мы вместе проводили опыты, а позже я понял, что эти данные идеально подходят для проверки моей теории", – рассказывает Вильермо.

Когда формула не работает

Однако универсальный закон применим не ко всем ситуациям. Если разрушение происходит строго по детерминированным физическим законам, формула даёт сбой. Например, когда поток жидкости распадается на капли одинакового размера или когда фрагменты взаимодействуют между собой во время разрушения.

По словам профессора Ференца Куна из Дебреценского университета, сама универсальность этой формулы подтверждает существование более глубокого принципа в природе.

"Удивительно не то, что такой принцип есть, а то, насколько широко он работает – вплоть до случаев, где трещины в пластике могут частично "заживать”", – подчеркнул Кун.

Практическая ценность открытия

Новый закон не ограничивается академической физикой. Он может быть полезен в инженерных и экологических областях. Например, понимание закономерностей разрушения поможет экономить энергию при дроблении руды или прогнозировать возможные обвалы в горах – процессы, которые становятся всё более актуальными в эпоху изменения климата.

Кроме того, теория открывает путь к анализу других параметров разрушения, таких как форма и минимальный возможный размер осколков. Эти вопросы Вильермо намерен изучить в будущем.

Плюсы и минусы универсального закона

Формула разрушения получила признание за простоту и универсальность, однако, как и любой закон, она имеет ограничения.
Преимущества:

Применима к множеству материалов – от стекла до пластика.
Подходит для анализа природных и промышленных процессов.
Основана на фундаментальных принципах энтропии и вероятности.
Способна прогнозировать распределение фрагментов без сложных симуляций.

Недостатки:

Не учитывает взаимодействие осколков между собой.
Не применима к строго регулярным системам, например к потокам жидкости.
Требует уточнений для некоторых полимеров и аморфных материалов.

Сравнение: разрушение твердых тел и жидких систем

Если твёрдое тело, например стекло, разбивается случайно, то жидкость подчиняется иным законам. В жидкости фрагменты – капли – образуются детерминированно: каждый последующий отрыв капли предсказуем по размеру. Поэтому универсальный закон разрушения описывает хаос, но не порядок.

В отличие от этого, твёрдые объекты демонстрируют стохастическое поведение, и именно здесь формула Вильермо проявляет свою силу. Она объединяет лабораторные эксперименты и природные явления – от падения посуды до разрушения скал или образования обломков льда в Арктике.

Советы по применению принципа разрушения

При моделировании промышленных процессов, связанных с дроблением, учитывайте не только механическую прочность, но и распределение фрагментов.
Используйте закон Вильермо при анализе рисков – например, для оценки вероятности обвалов или разрушения конструкций.
В лабораторных условиях не стоит стремиться к идеально контролируемым условиям: чем выше случайность, тем точнее работает формула.
Для пластмасс и полимеров дополнительно изучайте эффект самозалечивания трещин, который может изменять распределение осколков.