قانون جدید پیش‌بینی می‌کند شیشه چگونه می‌شکند

پدیده خرد شدن اجسام، از شکستن لیوان شیشه‌ای گرفته تا ترکیدن یک حباب کوچک، همواره ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده و به‌عنوان یکی از رفتارهای پیچیده و در عین حال رایج در طبیعت مورد توجه قرار گرفته است. پژوهشگران در بررسی‌های خود دریافته‌اند که قطعات حاصل از شکستگی معمولاً در اندازه‌های گوناگون شکل می‌گیرند و این تنوع، برخلاف ظاهر بی‌نظم آن، الگویی ثابت و قابل تشخیص دارد؛ الگویی که مستقل از جنس یا نوع ماده رخ می‌دهد و نشان می‌دهد قوانین مشترکی بر این فرآیند حاکم است. همین ویژگی باعث شده خرد شدن اجسام نه‌تنها یک رویداد فیزیکی ساده، بلکه موضوعی علمی و قابل مطالعه باشد. اکنون یک قانون علمی تازه توسط دانشمند فرانسوی معرفی شده است که توضیح می‌دهد چرا حتی در دل هرج و مرج‌های گسترده و بی‌نظمی ظاهری، الگوهای قابل پیش‌بینی پدیدار می‌شوند. این قانون تلاش می‌کند نشان دهد که پشت هر شکستگی، از شیشه‌های شکننده تا حباب‌های ناپایدار، اصولی مشترک وجود دارد که می‌توان آن‌ها را در قالب یک چارچوب علمی توضیح داد.

امانوئل ویلرمُو (Emmanuel Villermaux) از دانشگاه اکس-مارسی (Aix-Marseille University) و مؤسسه دانشگاهی فرانسه (University Institute of France) قانونی ساده و در عین حال دقیق برای توضیح نحوه خرد شدن اجسام تدوین کرده است. این قانون در طیف گسترده‌ای از موارد از جامدات شکننده گرفته تا قطرات مایع و حباب‌های منفجرشده کاربرد دارد. درواقع چارچوب او اصول بنیادی شکستگی مواد را در شرایط مختلف توضیح می‌دهد.

ویلرمُو در آغاز کار خود، به بررسی بی‌نظمی شدید و هرج و مرجی پرداخت که در همان لحظه خرد شدن اجسام پدید می‌آید. او توضیح داد که در بیشتر موارد، نتیجه طبیعی چنین فرآیندی همان حالت کاملاً نامرتب و غیرقابل پیش‌بینی خواهد بود؛ اصلی که آن را «حداکثر تصادفی بودن» نامید و بر این باور بود که طبیعت همواره ساده‌ترین و کم‌مقاومت‌ترین مسیر را انتخاب می‌کند. با این حال، او متوجه شد که حتی رویدادهایی که به‌ظاهر کاملاً پر هرج و مرج و بی‌قاعده هستند، همچنان در چهارچوب محدودیت‌های فیزیکی مشخص رخ می‌دهند. برای روشن کردن این نکته، ویلرمُو به «قانونی حفاظتی» رجوع کرد که تیم او پیش‌تر آن را کشف کرده بود. این قانون نشان می‌داد که هرچند خرد شدن اجسام در نگاه نخست بی‌نظم و پراکنده به نظر می‌رسد، اما در واقع از اصولی ثابت و قابل پیش‌بینی پیروی می‌کند.

این قانون مانند چارچوبی نامرئی عمل می‌کند و تضمین می‌کند که تعادل کلی قطعات، یعنی نسبت قطعات بزرگ به کوچک، حفظ شود. ویلرمُو با ترکیب اصل «حداکثر تصادفی بودن» و قانون حفاظتی توانست قانون جهانی شکستگی را تدوین کند. این رویکرد باعث شد الگوی قابل پیش‌بینی توزیع اندازه قطعات به‌طور طبیعی شکل بگیرد و توضیحی واحد برای خرد شدن مواد در زمینه‌های مختلف از جامدات شکننده گرفته تا قطرات مایع و حباب‌های منفجرشده صورت پذیرد.

او با ترکیب این اصول توانست الگویی ریاضی دقیق برای پیش‌بینی اندازه قطعات ارائه کند؛ الگویی که نه‌تنها با داده‌های تجربی سال‌های اخیر، بلکه با نتایج آزمایش‌های دهه‌های گذشته نیز همخوانی داشت و اعتبار آن را تقویت کرد. برای آزمون عملی این نظریه، ویلرمُو دست به آزمایشی خلاقانه زد و مکعب‌های قند را خرد کرد. او توانست اندازه قطعات به‌دست‌آمده را با دقت بالا پیش‌بینی کند و نشان داد که الگوی شکستگی به‌طور مستقیم با شکل سه‌بعدی مکعب مرتبط است و حتی جزئیات هندسی اولیه جسم می‌تواند بر نحوه خرد شدن آن اثر بگذارد.

با این حال، این قانون جهانی بی‌نقص نیست و محدودیت‌هایی دارد، همچنین بهترین عملکرد آن زمانی مشاهده می‌شود که اجسام در شرایطی کاملاً تصادفی خرد شوند؛ مانند سقوط یک لیوان شیشه‌ای که پس از برخورد با زمین به قطعات نامنظم تبدیل می‌شود. اما در مورد مواد بسیار نرم، مانند برخی پلاستیک‌ها که بیشتر دچار تغییر شکل می‌شوند تا اینکه به قطعات جداگانه بشکنند، دقت این قانون کاهش می‌یابد و نتایج آن کمتر قابل اعتماد است. علاوه بر این، در شرایطی که فرآیند شکستگی به‌طور منظم و کنترل‌شده رخ دهد (برای نمونه جریان آب که تحت تأثیر کشش سطحی به قطرات هم‌اندازه تقسیم می‌شود) این قانون نمی‌تواند پیش‌بینی دقیقی ارائه دهد.

این استثناها نشان می‌دهند که هرچند قانون ویلرمُو توانسته بسیاری از رویدادهای طبیعی شکستگی را توضیح دهد و چارچوبی واحد برای آن‌ها فراهم کند، اما برخی مواد و شرایط خاص همچنان از قواعد متفاوتی پیروی می‌کنند و نیازمند مدل‌های علمی دیگری برای توضیح رفتارشان هستند.