Při pádu talíře, rozmáčknutí kostky cukru nebo rozbití sklenice se všechny tyto situace řídí stejným fyzikálním zákonem, pokud jde o počet fragmentů, do kterých se daný předmět rozpadne.
Po celé desetiletí vědci zjistili, že proces fragmentace, kdy se objekt rozpadá na mnoho částí při pádu nebo rozbití, má nějakou univerzální povahu. Pokud byste počítali, kolik fragmentů existuje při každé možné velikosti a vytvořili graf rozložení, měl by stejný tvar, bez ohledu na to, jaký objekt se rozpadá. Emmanuel Villermaux z Aix-Marseille University ve Francii nyní odvodil rovnici, která tento tvar vysvětluje a tím efektivně formuluje univerzální zákon toho, jak se objekty rozbíjejí.
Nový přístup k fragmentaci
Místo zaměření na detaily, jak se trhliny objevují v objektu před jeho rozpadnutím, zvolil Villermaux širší přístup. Uvažoval o všech možných sadách fragmentů, do kterých se objekt může rozpadnout. Některé sady by zahrnovaly velmi specifické výsledky, jako je například rozbití vázy na čtyři stejné kusy. Villermaux vybral nejpravděpodobnější sadu, tedy tu s nejvyšší entropií, která zachytila rozbití, jež byla neuspořádaná a nepravidelná. Takový přístup podobal odvození mnoha zákonů o velkých souborech částic v 19. století.
Kromě toho Villermaux použil fyzikální zákon, který popisuje změny v celkové hustotě fragmentů, když se objekt rozbíjí, což on a jeho kolegové dříve zjistili.
Predikce fragmentace
Tato dvě zjištění mu umožnila odvodit jednoduchou rovnici, která předpovídá, kolik fragmentů každé velikosti by měl rozbíjející se objekt produkovat. Aby zjistil, jak dobře tato rovnice funguje, Villermaux porovnal její predikce s řadou minulých experimentů, které zahrnovaly rozbíjení skleněných tyčí, suchého spaghetti, talířů, keramických trubek a dokonce plastových fragmentů v oceánu a vlnách narážejících na choppy moře. V každém z těchto případů ukázal způsob fragmentace, že sleduje jeho nový zákon, čímž zachytil všudypřítomný tvar grafu, který vědci viděli už dříve.
Experimenty a aplikace
Další série experimentů se zaměřila na rozbití kostky cukru tím, že na ni spadl předmět z různých výšek. „To byl letní projekt s mými dcerami. Dělal jsem to už dávno, když byly mé děti ještě malé, a pak jsem se k těmto datům vrátil, protože dobře ilustrovaly můj názor,“ říká Villermaux. Rovnítko však nefunguje v případech, kdy neexistuje náhodnost a proces fragmentace je příliš pravidelný, například když se proud tekutiny rozděluje na mnoho kapek jednotné velikosti podle deterministických zákonů fyziky tekutin, nebo v některých případech, kdy fragmenty během rozbíjení vzájemně interagují, dodává.
Implications for Science and Industry
Ferenc Kun z Univerzity v Debrecínu v Maďarsku říká, že protože tvar grafu, který analýza Villermaux vysvětlila, je tak rozšířený, není překvapivé, že vychází z většího principu. Zároveň je úžasné, jak široce to funguje a jak lze v některých případech přizpůsobit, například u plastu, kde trhliny někdy mohou „uzdravit“.
Fragmentace není jen zajímavý fyzikální problém. Lepší pochopení tohoto procesu může mít skutečné důsledky pro to, jak se energia vynakládá na rozbíjení rudy v průmyslovém dolování, nebo jak se připravujeme na sesuvy půdy, které se stále častěji vyskytují v horských oblastech, jak vzrůstají globální teploty, uvádí Kun.
V budoucnu by mohlo být zajímavé zvážit rozložení nejen velikosti fragmentů, ale také jejich tvarů. Dalším otevřeným problémem je stanovení toho, jaká by mohla být nejmenší možná velikost fragmentu, dodává Villermaux.
