Padlá talíř, rozdrobený kostka cukru a rozbitá sklenice se zdají řídit stejným fyzikálním zákonem, pokud jde o počet fragmentů dané velikosti, na které se rozbijí.
Desítky let je všeobecně známo, že existuje něco univerzálního v procesu fragmentace, kdy se objekt rozpadá na mnoho částí, když je spuštěn nebo rozbit. Pokud byste spočítali, kolik fragmentů existuje při každé možné velikosti a vytvořili graf této distribuce, měl by stejný tvar nezávisle na objektu, který se rozbil. Emmanuel Villermaux z Aix-Marseille University ve Francii nyní formuloval rovnici, která tento tvar vysvětluje a efektivně formuluje univerzální zákon pro to, jak se objekty rozbíjejí.
Přístup k analýze fragmentace
Místo zaměření na detaily, jak se v objektu objevují trhliny před jeho fragmentací, zvolil Villermaux širší přístup. Zohlednil všechny možné sady fragmentů, do kterých se objekt může rozbít. Některé sady by obsahovaly velmi specifické výsledky, například když se váza rozbíjí na čtyři stejné kusy. Vybral si nejpravděpodobnější sadu, tu s nejvyšší entropií, která zachytila rozbití, jež bylo chaotické a nepravidelné. To je podobné způsobu, jakým byly vyvinuty mnohé zákony týkající se velkých souborů částic v 19. století, říká.
Villermaux také použil fyzikální zákon, který popisuje změny v celkové hustotě fragmentů při rozbíjení objektu, což jeho tým předtím zjistil.
Derivace rovnice a experimenty
Tato kombinace mu umožnila odvodit jednoduchou rovnici, která predikuje, kolik fragmentů každé velikosti by měl rozbíjející se objekt produkovat. Aby zjistil, jak dobře funguje, Villermaux ji porovnal s celou řadou předchozích experimentů s rozbíjením skleněných tyčí, suché špagety, talíře, keramických trubic a dokonce i plastových fragmentů v oceánu a vlnách, které se lámaly na rozbouřeném moři. Napříč těmito scénáři sledovalo chování fragmentace jeho nový zákon a zachytilo všudypřítomný tvar grafu, který vědci viděli dříve.
Sestavení pokusů s kostkami cukru
Villermaux rovněž provedl sérii experimentů, při kterých rozbil kostku cukru tím, že na ni spadla jiná tělesa z různých výšek. „To byl letní projekt s mými dcerami. Dělali jsme to už dávno, když byly moje děti ještě malé, a pak se k těmto datům vrátil, protože dobře ilustrovala můj názor,“ říká Villermaux. Rovnanie však nefunguje v případech, kdy není žádná náhodnost a proces fragmentace je příliš pravidelný, například když se trysky kapaliny rozpadnou na mnoho kapek o jednotné velikosti podle deterministických zákonů fyziky tekutin, a v některých případech, kdy fragmenty vzájemně interagují během rozbíjení, dodává.
Vliv na průmyslové aplikace
Ferenc Kun z Univerzity v Debrecínu v Maďarsku uvádí, že protože tvar grafu, který analýza Villermauxe vysvětluje, je tak všudypřítomný, není překvapující, že vychází z většího principu. Zároveň je ohromující, jak široce funguje a jak může být upraven v některých případech, kdy jsou další omezení, například u plastu, kde se trhliny mohou někdy „uzdravit“.
Fragmentace však není jen zajímavý fyzikální problém. Lepší pochopení této problematiky by mohlo mít reálné důsledky pro to, jak energie využíváme při drcení rudy v průmyslovém těžebním odvětví, například, nebo jak se připravujeme na sesuvy skal, které se stále častěji vyskytují v horských oblastech, jak rostou globální teploty, říká Kun.
Další směry výzkumu
Do budoucna uvádí Kun, že by bylo zajímavé uvažovat o distribuci nejen velikostí fragmentů, ale také jejich tvarů. Dále je otevřenou otázkou určit, jaká by mohla být nejmenší možná velikost fragmentu, dodává Villermaux.
