Vedci práve objavili nový zákon fyziky. To, ako sa veci lámu, má skrytý poriadok
Tvar predmetu a energia nárazu určujú, koľko úlomkov vznikne a prečo sa niektoré veci lámu na stovky kúskov.
Keď niečo spadne na zem a rozletí sa na desiatky kúskov, berieme to ako samozrejmosť. Sklo sa rozbije, keramiky je zrazu plno po kuchyni a mobil má namiesto displeja mozaiku. Ale čo ak ti povieme, že tento chaos má svoj vlastný poriadok? A že vedci podľa všetkého objavili veľký princíp, ktorý riadi, ako sa veci lámu? Popular Mechanics upozornil na výskum, ktorý môže úplne zmeniť to, čo sme si o rozbíjaní mysleli doteraz.
Nič nie je úplne náhodné. Dokonca ani rozbitý tanier
Keď hodený predmet praskne, vyzerá to ako čistá náhoda. Raz vzniknú dva veľké kusy, inokedy stovky drobných úlomkov. Lenže fyzik Emmanuel Villermaux z Aix-Marseille University ukázal, že za tým všetkým je univerzálny vzorec. Nezameral sa na malé trhlinky, praskanie či mikroštruktúru materiálu. Namiesto toho si položil jednoduchú otázku: „Ak sa predmet môže rozbiť miliónom spôsobov, aký spôsob si vyberie príroda?“
Jeho odpoveď je prekvapivo elegantná. Podľa neho sa predmet rozbije tak, aby vznikol maximálny neporiadok. Inak povedané, vyberie si taký spôsob prasknutia, ktorý má najviac možných výsledkov. Fyzici to volajú princíp maximálnej náhodnosti.
Novým objavom je však to, že tento princíp sa spája s doteraz neznámym „zákonom zachovania fragmentovosti“, pravidlom, ktoré hovorí, že celková geometria a objem objektu určujú, aké veľké úlomky môžu vôbec vzniknúť. Keď sa tieto dve veci spoja, vedci dokážu presne vypočítať, ako veľké budú kúsky po rozbití a v akom pomere vzniknú.
Keď chaos poslúcha fyziku: veľkosť úlomkov nie je náhoda
Villermaux ukázal, že rozpad rôznych objektov, či už je to sklenená váza, keramický tanier, oceľová tyč alebo dokonca kvapka vody, nasleduje mocninový zákon. Znamená to, že malé kúsky vznikajú častejšie a veľké omnoho zriedkavejšie. A čo je na tom najzaujímavejšie? Tento zákon sa dá vypočítať len z jednej veci: z toho, aký tvar mal predmet predtým, než sa rozbil.
Neprehliadni
Inak povedané, kocka sa rozbije inak než guľa, tanier inak než tyč. Nie preto, že by mali iný materiál alebo inú tvrdosť, ale preto, že ich tvar dáva priestor iným možným prasklinám.
Ako sa to správa v realite: tenké sklo a hrubá doska
Predstav si tenký sklenený pohár, ktorý padne na dlažbu. V zlomku sekundy sa rozpadne na desiatky či stovky malých úlomkov. Nie preto, že by bol „slabý“, ale preto, že jeho tvar aj krehká štruktúra umožňujú obrovské množstvo ciest, kadiaľ sa prasklina môže vydať. To znamená veľa možností, veľa spôsobov rozpadu a teda aj vysokú entropiu. Entropia je v podstate miera neporiadku, čím viac možností a chaosu v systéme existuje, tým je entropia vyššia.
Naopak, keď praskne hrubá kamenná doska, zvyčajne vznikne niekoľko veľkých kusov. Nie preto, že by bola menej chaotická, ale preto, že jej tvar a pevnosť obmedzujú počet možných ciest prasknutia. Výsledkom je malý počet fragmentov a nízka entropia.
Takto presne to opisuje aj Popular Mechanics: čím viac možností na rozpad materiál má, tým viac sa rozbije. A ak má možností málo, vznikne niekoľko väčších kusov.
Možno si povieš, že pohár sa predsa niekedy rozbije len na tri veľké kúsky, takže kde je ten „maximálny neporiadok“? Tu je dôležité pochopiť, že tento princíp nehovorí, koľko úlomkov musí vzniknúť, ale aké rozdelenie veľkostí sa objaví v prípade, že energie na rozbitie je dosť. Ak pohár spadne z malej výšky alebo dopadne na mäkší povrch, nemá dostatočnú energiu na vytvorenie mnohých trhlín. Preto sa rozbije na málo kusov, hoci samotná geometria by umožňovala stovky. Keď však dopadne prudko a energia je vysoká, trhliny sa rozbehnú viacerými smermi naraz a vzniká presne ten „chaos“, o ktorom hovorí nový fyzikálny zákon.
Za všetkým je jednoduchý matematický princíp
Vedci zistili, že veľkosti úlomkov sa dajú vyjadriť jednoduchým matematickým pravidlom. Volá sa to mocninová distribúcia. V praxi to znamená, že keď si nakreslíš graf veľkostí fragmentov, objaví sa krásna krivka, ktorá sedí takmer pre všetky testované materiály, od skla a kovov až po kvapky a bubliny.
A zaujímavé je aj to, že detaily mikroskopických trhlín nie sú dôležité. V skutočnosti rozhoduje len geometria a to, ako môže energia prechádzať objektom. Ak sú pevné zákony geometrie splnené, chaos si vždy vyberie cestu s najväčším počtom možností.
Ale pozor, nie všetky materiály poslúchajú
Popular Mechanics upozorňuje, že existuje jedna zvláštnosť, veľmi mäkké materiály, ako niektoré plasty, do tohto modelu nezapadajú. Tie sa správajú viac ako žuvačka, deformujú sa, naťahujú a energia sa v nich rozlieva úplne inak. Preto ich fragmenty nepasujú do univerzálnej krivky tak dobre.
Prečo by nás to malo zaujímať?
Ak vieš, ako sa veci lámu, vieš aj predpovedať, koľko a aké veľké fragmenty vzniknú. A to je obrovsky dôležité napríklad pri ťažbe rudy, pri analýze zosuvov pôdy, pri dopadoch asteroidov či pri štúdiu plastových úlomkov v oceáne. Jednoducho, rozbitý tanier je len začiatok. Rovnaké zákony platia pre horniny, kvapky aj planéty.
Vyzerá to teda tak, že vesmír je menej chaotický, než sme si mysleli. A keď nabudúce niečo rozbiješ, vedz, že aj tie najmenšie úlomky poslúchajú veľký fyzikálny zákon.
