Ученые выяснили, как предсказать разрушение твердых материалов

Исследователь из Университета Экс-Марсель во Франции, Эммануэль Виллермо, представил новую теоретическую модель, которая описывает процесс фрагментации твердых тел. Согласно работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, разрушение объектов подчиняется универсальному статистическому закону, а не является случайным процессом, как считалось ранее.

В основе предложенной модели лежит принцип «максимальной случайности», который является проявлением второго закона термодинамики. Суть принципа заключается в том, что при разрушении система всегда выбирает путь, ведущий к максимальному увеличению энтропии. В контексте фрагментации это означает, что из всех возможных вариантов раскола объекта реализуется тот, который создает наиболее неупорядоченное состояние, характеризующееся определенным распределением осколков по размерам.

Данный подход отличается от предыдущих методов, которые фокусировались на анализе микроскопических процессов, таких как распространение трещин. Новая теория рассматривает разрушение как макроскопический процесс, аналогично тому, как статистическая механика в XIX веке описывала поведение газов, исходя из общих вероятностных законов для частиц, а не из динамики каждой отдельной молекулы. Для описания распределения фрагментов по размерам была использована модифицированная форма степенного закона — математической зависимости, часто встречающейся в природных явлениях.

Теоретические выводы были подтверждены экспериментами с различными типами материалов, включая пластичные и вязкоупругие. Результаты показали, что предложенный закон универсален и не зависит от микроскопических особенностей конкретного материала. В то же время было отмечено, что для некоторых мягких материалов, например, пластиков, модель требует дальнейшей доработки, так как их фрагментация не полностью соответствует предложенным математическим расчетам.

Открытие имеет практическое значение. Новый принцип позволяет создавать более точные модели для энергозатратных промышленных процессов, связанных с дроблением, таких как добыча и переработка руды. В геофизике он может быть применен для прогнозирования последствий камнепадов и оползней, а в астрофизике — для анализа результатов столкновения астероидов.

Источник: Popular Mechanics