Физик Эммануэль Виллермо из Университета Экс-Марсель во Франции представил научному сообществу новое математическое уравнение, описывающее процессы разрушения различных объектов. Результаты его работы, опубликованные 26 ноября в журнале Physical Review Letters, демонстрируют, что твердые тела, жидкости и газы распадаются на части не хаотично, а предсказуемым образом. Исследование выявило существование единого механизма фрагментации для широкого спектра материалов, подчиняющегося закону «максимальной случайности».
Ключевым открытием работы стало определение последовательного соотношения крупных и мелких осколков, которое остается неизменным вне зависимости от типа разрушаемого материала. В отличие от предыдущих теорий, сосредоточенных на механике формирования трещин, новый подход фокусируется непосредственно на образующихся фрагментах. Уравнение основывается на концепции, что наиболее вероятным сценарием фрагментации является тот, который максимизирует энтропию, то есть меру беспорядка в системе.
Однако этот беспорядок не является абсолютным и ограничен строгими физическими рамками. Новая формула объединяет принцип максимизации энтропии с законом сохранения, открытым Виллермо и его коллегами еще в 2015 году. Это более раннее открытие касалось распределения плотности фрагментов в пространстве. Синтез этих двух принципов позволил создать модель, которая точно предсказывает распределение размеров осколков при разрушении объекта.
Для подтверждения теоретических выкладок Виллермо сопоставил предсказания уравнения с историческими данными и результатами новых экспериментов. Спектр проанализированных материалов оказался чрезвычайно широким: от разбитого стекла и спагетти до жидких капель и пузырьков газа. Модель успешно описала фрагментацию пластикового мусора в океане, чешуек от древних каменных орудий и осколков, образующихся при падении ваз.
Один из экспериментов, использованных для валидации теории, имел необычное происхождение. Виллермо сбрасывал тяжелые предметы на кубики сахара, чтобы изучить структуру их распада. Ученый отметил в интервью изданию New Scientist, что этот конкретный опыт изначально был «летним проектом», который он проводил со своими дочерьми за несколько лет до публикации официального исследования. Даже в таких импровизированных условиях распределение осколков соответствовало выведенному математическому закону.
Несмотря на универсальность, у открытого закона существуют определенные ограничения и исключения. Теория применима только к системам, характеризующимся случайностью. Она не работает в условиях полного упорядочивания, например, когда гладкая струя жидкости распадается на капли одинакового размера. Кроме того, уравнение теряет точность в ситуациях, где осколки взаимодействуют друг с другом после разрушения, что наблюдается при деформации некоторых видов пластика.
Значимость открытия прокомментировал Ференц Кун, физик из Дебреценского университета в Венгрии. По его мнению, понимание механики разрушения имеет важные перспективы для промышленного применения, в частности, в горнодобывающей отрасли для оптимизации затрат энергии при дроблении руды. Также новые данные могут повысить эффективность мер безопасности при подготовке к возможным камнепадам.
Данное исследование встало в один ряд с другими громкими научными заголовками последнего времени, такими как решение 400-летней физической загадки, создание керамики, которая гнется, а не бьется, и изучение взрывов замерзших капель. В дальнейшем Эммануэль Виллермо планирует продолжить изыскания, чтобы определить минимально возможный размер, который может иметь фрагмент при разрушении материи.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключевым открытием работы стало определение последовательного соотношения крупных и мелких осколков, которое остается неизменным вне зависимости от типа разрушаемого материала. В отличие от предыдущих теорий, сосредоточенных на механике формирования трещин, новый подход фокусируется непосредственно на образующихся фрагментах. Уравнение основывается на концепции, что наиболее вероятным сценарием фрагментации является тот, который максимизирует энтропию, то есть меру беспорядка в системе.
Однако этот беспорядок не является абсолютным и ограничен строгими физическими рамками. Новая формула объединяет принцип максимизации энтропии с законом сохранения, открытым Виллермо и его коллегами еще в 2015 году. Это более раннее открытие касалось распределения плотности фрагментов в пространстве. Синтез этих двух принципов позволил создать модель, которая точно предсказывает распределение размеров осколков при разрушении объекта.
Для подтверждения теоретических выкладок Виллермо сопоставил предсказания уравнения с историческими данными и результатами новых экспериментов. Спектр проанализированных материалов оказался чрезвычайно широким: от разбитого стекла и спагетти до жидких капель и пузырьков газа. Модель успешно описала фрагментацию пластикового мусора в океане, чешуек от древних каменных орудий и осколков, образующихся при падении ваз.
Один из экспериментов, использованных для валидации теории, имел необычное происхождение. Виллермо сбрасывал тяжелые предметы на кубики сахара, чтобы изучить структуру их распада. Ученый отметил в интервью изданию New Scientist, что этот конкретный опыт изначально был «летним проектом», который он проводил со своими дочерьми за несколько лет до публикации официального исследования. Даже в таких импровизированных условиях распределение осколков соответствовало выведенному математическому закону.
Несмотря на универсальность, у открытого закона существуют определенные ограничения и исключения. Теория применима только к системам, характеризующимся случайностью. Она не работает в условиях полного упорядочивания, например, когда гладкая струя жидкости распадается на капли одинакового размера. Кроме того, уравнение теряет точность в ситуациях, где осколки взаимодействуют друг с другом после разрушения, что наблюдается при деформации некоторых видов пластика.
Значимость открытия прокомментировал Ференц Кун, физик из Дебреценского университета в Венгрии. По его мнению, понимание механики разрушения имеет важные перспективы для промышленного применения, в частности, в горнодобывающей отрасли для оптимизации затрат энергии при дроблении руды. Также новые данные могут повысить эффективность мер безопасности при подготовке к возможным камнепадам.
Данное исследование встало в один ряд с другими громкими научными заголовками последнего времени, такими как решение 400-летней физической загадки, создание керамики, которая гнется, а не бьется, и изучение взрывов замерзших капель. В дальнейшем Эммануэль Виллермо планирует продолжить изыскания, чтобы определить минимально возможный размер, который может иметь фрагмент при разрушении материи.
