Для физиков процесс фрагментации — разрушения твердого объекта на множество частей — давно представлял собой головоломку. Чтобы в нем разобраться, исследователи десятилетиями ставили эксперименты: разбивали стеклянные стержни, керамические трубки, ломали сухие макароны, изучали, как разлетаются осколки фарфора. Затем анализировали результаты и строили графики, показывающие, сколько осколков какого размера получается в каждом случае.

К всеобщему удивлению, форма этих графиков оказывалась удивительно похожей, независимо от материала и способа разрушения. Будь то чашка или кусок минерала, распределение фрагментов по размерам подчинялось одной и той же закономерности. Эта «универсальность» намекала на существование какого-то общего фундаментального закона, стоящего за кажущимся хаосом разрушения. Но вывести уравнение, которое бы точно описывало эту универсальную кривую и объясняло, почему она возникает, до последнего времени никому не удавалось.

Прорыв в решении этой многолетней загадки совершил Эммануэль Вийермо (Emmanuel Villermaux) из Университета Экс-Марсель во Франции. Он подошел к проблеме с неожиданной стороны. Вместо того чтобы детально моделировать возникновение и распространение каждой отдельной трещины в материале, ученый применил более общий, статистический подход.

Вийермо рассмотрел все возможные способы (комбинации) разбиения одного объекта на фрагменты, которые теоретически возможны. Среди этих гипотетических наборов были как упорядоченные (например, ваза, разбивающаяся на четыре крупных одинаковых фрагмента), так и совершенно хаотичные. 

Физики нашли способ заваривать крепкий кофе с меньшим количеством измельченных зерен

Высота, с которой вы льете воду на молотый кофе, способна изменить вкус напитка. Это выяснили американские физики. Оказалось, что важную роль играет и толщина струи. Она может превратить обычный кофе в крепкий и насыщенный напиток.

Используя принципы статистической физики, ученый выделил самый вероятный набор — тот, который обладает максимальной энтропией. Именно такой набор и соответствует реальному беспорядочному разрушению, которое мы наблюдаем в жизни. Этот метод похож на подход, которым ученые XIX века пользовались для описания поведения больших ансамблей частиц в газах.

Вторым ключевым ингредиентом для нового закона стало физическое уравнение, описывающее изменение общей плотности фрагментов в момент разрушения. Вийермо и его коллеги обнаружили этот закон в более ранних работах.

Объединив два этих компонента — принцип максимальной вероятности и уравнение плотности — физик смог вывести простое и элегантное уравнение. Оно предсказывает, сколько осколков каждого размера должно образоваться при разрушении конкретного хрупкого объекта.

Статья по теме: Физики укротили загадочного «родственника» магнетизма

Чтобы проверить работоспособность своего закона, Вийермо сравнил его предсказания с результатами огромного количества прошлых экспериментов, проведенных другими учеными. В анализ вошли данные о разбивании стеклянных брусков, сухих спагетти, керамических труб и тарелок. Уравнение хорошо согласуется с данными о распределении размеров пластикового мусора в океане, в том числе при его раздроблении волновыми процессами. 

Во всех этих, казалось бы, несвязанных между собой сценариях, процесс разрушения подчинялся новому закону, точно описывая ту самую универсальную форму графика, которую исследователи наблюдали десятилетиями.

Для проверки теории Вийермо провел собственный эксперимент. Он разбивал кубик сахара, роняя на него груз с разной высоты. Опыт с сахаром также подтвердил правильность выведенной формулы.

Впрочем, у любого закона есть границы применимости. Уравнение Вийермо не применимо в случаях, когда механизм образования фрагментов детерминирован и когерентен — например, в классическом режиме распада струи жидкости (режим Релея), где капли образуются с характерным размером вместо статистического разброса. Например, когда струя жидкости распадается на множество капель одинакового размера под действием законов гидродинамики. Также закон может давать сбои в ситуациях, где осколки активно взаимодействуют друг с другом в процессе разрушения.

Физики нашли способ резать лук без слез

Слезы, жжение в глазах и желание бросить нож — знакомо каждому, кто хоть раз резал лук. Но что, если все эти мучения можно свести к минимуму? Ученые из Корнеллского университета провели необычный эксперимент и раскрыли секрет, как уменьшить «луковую атаку». Плохая новость — многим поварам этот способ не понравятся.

Физик Ференц Кун (Ferenc Kun) из Дебреценского университета в Венгрии высоко оценил работу коллеги. По его словам, учитывая, насколько универсальную закономерность объяснил Вийермо, неудивительно, что в ее основе лежит глубокий физический принцип. 

Открытие универсального закона фрагментации — это не просто красивое решение академической задачи. Оно имеет серьезные практические последствия для многих отраслей. Понимание того, как именно и на какие фрагменты будет разрушаться материал, позволяет оптимизировать огромное количество процессов.

Например, в горнодобывающей промышленности можно точнее рассчитать необходимую энергию для дробления руды, что приведет к значительной экономии ресурсов. В свете глобального потепления, которое способствует таянию вечной мерзлоты и учащению камнепадов в горных регионах, новый закон поможет создавать более точные модели этих опасных явлений и улучшать системы прогноза и защиты.

Научная работа опубликована в журнале Physical Review Letters.