Γιατί τα Σπασμένα Αντικείμενα Θρυμματίζονται με τον πιο Εκνευριστικό Τρόπο: Ο Νόμος της “Μέγιστης Τυχαιότητας”
Από γυάλινα στολίδια μέχρι ξερά μακαρόνια, σχεδόν τα πάντα στη Γη που θρυμματίζονται ακολουθούν συγκεκριμένες αρχές τυχαιότητας και εντροπίας, σύμφωνα με μια νέα μελέτη.
Ένα βάζο που έπεσε, ένας θρυμματισμένος κύβος ζάχαρης και μια φούσκα που σκάει έχουν κάτι κοινό: Θρυμματίζονται με παρόμοιους τρόπους, αποκαλύπτει μια νέα μαθηματική εξίσωση.
Ένας Γάλλος επιστήμονας ανακάλυψε πρόσφατα τη μαθηματική εξίσωση, η οποία περιγράφει την κατανομή μεγέθους των θραυσμάτων που σχηματίζονται όταν κάτι θρυμματίζεται. Η εξίσωση εφαρμόζεται σε ποικιλία υλικών, συμπεριλαμβανομένων στερεών, υγρών και φυσαλίδων αερίου, σύμφωνα με μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στις 26 Νοεμβρίου στο περιοδικό Physical Review Letters.
Αν και οι ρωγμές εξαπλώνονται μέσα από ένα αντικείμενο με συχνά απρόβλεπτους τρόπους, έρευνες έχουν δείξει ότι η κατανομή μεγέθους των θραυσμάτων που προκύπτουν φαίνεται να είναι συνεπής, ανεξάρτητα από το τι είναι φτιαγμένα – μπορείτε πάντα να περιμένετε μια ορισμένη αναλογία μεγαλύτερων θραυσμάτων προς μικρότερα. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι αυτή η συνέπεια έδειχνε κάτι παγκόσμιο σχετικά με τη διαδικασία του θρυμματισμού.
Αντί να επικεντρωθεί στο πώς σχηματίζονται τα θραύσματα, ο Emmanuel Villermaux, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille στη Γαλλία, μελέτησε τα ίδια τα θραύσματα. Στη νέα μελέτη, ο Villermaux υποστήριξε ότι τα θρυμματισμένα αντικείμενα ακολουθούν την αρχή της “μέγιστης τυχαιότητας”. Αυτή η αρχή υποδηλώνει ότι το πιο πιθανό μοτίβο θρυμματισμού είναι το πιο ακατάστατο – αυτό που μεγιστοποιεί την εντροπία, ή την αταξία.
Αλλά αυτή η τυχαιότητα πρέπει να υπακούει σε ορισμένα όρια. Για να το λάβει υπόψη αυτό, ο Villermaux εισήγαγε έναν νόμο διατήρησης που αυτός και οι συνάδελφοί του ανακάλυψαν το 2015. Αυτός ο νόμος προσθέτει φυσικούς περιορισμούς στην πυκνότητα των θραυσμάτων στον χώρο όταν ένα αντικείμενο θρυμματίζεται.
Συνδυάζοντας τις δύο αρχές, ο Villermaux παρήγαγε μια μαθηματική εξίσωση που περιγράφει το μοτίβο των μεγεθών θραυσμάτων από ένα θρυμματισμένο αντικείμενο. Στη συνέχεια, επικύρωσε την εξίσωση συγκρίνοντας τις προβλέψεις της εξίσωσης με δεδομένα θρυμματισμού πολλών ετών που συλλέχθηκαν σε διάφορα αντικείμενα, όπως γυαλί, μακαρόνια, υγρά σταγονίδια, φυσαλίδες αερίου, πλαστικά θραύσματα στον ωκεανό, ακόμη και απολεπίσματα από πρώιμα πέτρινα εργαλεία. Όλα ταιριάζουν με την προβλεπόμενη κατανομή μεγέθους.
Ο Villermaux δοκίμασε επίσης την εξίσωση ρίχνοντας βαριά αντικείμενα σε κύβους ζάχαρης και παρατηρώντας πώς θρυμματίζονταν. “Αυτό ήταν ένα καλοκαιρινό πρότζεκτ με τις κόρες μου”, είπε ο Villermaux στο New Scientist. “Το έκανα αυτό πριν από πολύ καιρό, όταν τα παιδιά μου ήταν ακόμα μικρά και μετά επέστρεψα στα δεδομένα, επειδή απεικόνιζαν καλά το σημείο μου.”
Ωστόσο, ο νεοανακαλυφθείς νόμος δεν ισχύει πάντα: Δεν ισχύει σε καταστάσεις χωρίς τυχαιότητα, όπως μια ομαλή ροή υγρού που σπάει σε σταγονίδια ίσου μεγέθους, και δεν καλύπτει συνθήκες όπου τα θραύσματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, όπως σε ορισμένα πλαστικά.
Ο Ferenc Kun, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Debrecen στην Ουγγαρία, δήλωσε στο New Scientist ότι η κατανόηση του θρυμματισμού θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να προσδιορίσουν πώς ξοδεύεται η ενέργεια για τη σύνθλιψη μεταλλεύματος στη βιομηχανική εξόρυξη ή πώς να προετοιμαστούν για κατολισθήσεις.
Μελλοντική εργασία θα μπορούσε να περιλαμβάνει τον προσδιορισμό του μικρότερου δυνατού μεγέθους που θα μπορούσε να έχει ένα θραύσμα, είπε ο Villermaux στο New Scientist.
Ο Νόμος της Μέγιστης Τυχαιότητας: Τι Σημαίνει για τα Σπασμένα Αντικείμενα;
Η έννοια της “μέγιστης τυχαιότητας” εξηγεί, με μαθηματικούς όρους, γιατί όταν κάτι σπάει, δημιουργεί έναν απίστευτο χάος θραυσμάτων διαφορετικών μεγεθών. Αυτό έχει σημασία σε πολλούς τομείς, από τη βιομηχανία μέχρι την πρόληψη ατυχημάτων. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, ένα πασχαλινό τραπέζι γεμάτο γυάλινα διακοσμητικά – αν κάτι γυρίσει στραβά, ξέρετε γιατί τα θραύσματα θα είναι παντού!
Εφαρμογές στην Πράξη
- Βιομηχανία: Κατανόηση του πώς θρυμματίζονται τα υλικά για τη βελτίωση των διαδικασιών εξόρυξης.
- Γεωλογία: Πρόβλεψη και διαχείριση κατολισθήσεων.
- Καθημερινότητα: Απλή κατανόηση του γιατί το γυαλί σπάει με συγκεκριμένο τρόπο.
Συχνές Ερωτήσεις (Συχνές Ερωτήσεις)
Γιατί τα μικρότερα θραύσματα είναι πιο πολλά από ότι τα μεγαλύτερα;
Η “μέγιστη τυχαιότητα” δηλώνει ότι η φύση τείνει στη desordered κατανομή του κατακερματισμού. Αυτό συνεπάγεται πως τα μικρότερα θραύσματα δημιουργουνται κατα την διάρκεια οποίασδηποτε θραύσης πολύ πιο συχνά από τα μεγαλύτερα.
Μπορούμε να προβλέψουμε πώς θα σπάσει ένα αντικείμενο;
Ενώ η ακριβής πορεία των ρωγμών είναι απρόβλεπτη, η κατανομή μεγέθους των θραυσμάτων μπορεί να προβλεφθεί με τη νέα μαθηματική εξίσωση. Ο νόμος της μέγιστης τυχαιότητας́ βοηθάει έτσι να εξηγήσουμε το μοτίβο θραυσμάτων.
Ισχύει πάντα ο νόμος της μέγιστης τυχαιότητας;
Όχι, ο νόμος δεν ισχύει σε περιπτώσεις όπου δεν υπάρχει τυχαιότητα (π.χ. ένα υγρό που χωρίζεται σε σταγόνες ίσου μεγέθους) ή όπου τα θραύσματα αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους.