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物理学者は物体がどのように砕けるかについての普遍的な法則を解明した

落とした花瓶は何個に砕けますか?Imaginechina Limited / Alamy 落ちた皿、砕かれた角砂糖、割れたグラスはすべて、特定のサイズの破片がいくつになるかという点では、同じ物理法則に従っているように見えます。 研究者らは数十年前から、物体が落下したり衝突したりした際に多くの部分に分裂する断片化のプロセスには普遍的な何かがあることを知っていた。考えられるサイズごとに存在する破片の数を数え、その分布をグラフにすると、粉砕された物体に関係なく、同じ形状になります。フランスのエクス・マルセイユ大学のエマニュエル・ヴィレルモー氏は、その形状を説明する方程式を導き出し、物体がどのように壊れるかに関する普遍的な法則を効果的に定式化した。 彼は、物体が破片になる前に亀裂がどのように現れるかという詳細に焦点を当てるのではなく、よりズームアウトしたアプローチを採用しました。ヴィレルモーは、物体が粉々に砕ける可能性のあるあらゆる破片のセットを考慮しました。一部のセットには、花瓶が 4 つの等しい部分に砕けるなど、非常に特殊な結果が含まれます。彼は、乱雑で不規則な破損を捉えた、最も可能性の高いセット、つまりエントロピーが最も高いセットを選択しました。これは、粒子の大集合に関する多くの法則が 19 世紀に導出された方法と似ています。番目 世紀だ、と彼は言う。さらに、ヴィレルモー氏は、物体が粉砕されるときの破片の総密度の変化を説明する物理法則を使用しました。これは、彼と彼の同僚が以前に発見したものです。 これら 2 つの要素を組み合わせることで、壊れた物体が各サイズの破片の数を予測する簡単な方程式を導き出すことができました。それがどれほどうまく機能するかを確認するために、ヴィレルモー氏は、ガラスの棒、乾いたスパゲッティ、皿、セラミックのチューブ、さらには海中でプラスチックの破片を砕いたり、荒れた海で砕ける波を使った過去の一連の実験と比較した。全般的に、これらの各シナリオで断片化が現れる様子は彼の新しい法則に従っており、研究者が以前に見た遍在的なグラフの形状を捉えていました。 彼はまた、さまざまな高さから物体を落として角砂糖を粉砕する一連の実験も実施しました。 「これは娘たちとの夏のプロジェクトでした。ずっと前、子供たちがまだ小さかったときにこれを行い、その後データに戻ってきました。データが私の主張をよく説明していたからです」とヴィレルモー氏は言います。ランダム性がなく、断片化プロセスが規則的すぎる場合、たとえば液体のジェットが流体物理学の決定論的法則に従って均一なサイズの多数の液滴に分裂する場合や、場合によっては粉砕中に断片が相互作用する場合など、この方程式は機能しないと同氏は言う。 ハンガリーのデブレツェン大学のフェレンツ・クン氏は、ヴィレルモーの分析で説明されたグラフの形状は非常に遍在しているため、それがより大きな原理に由来しているとしても驚くべきことではない、と述べている。同時に、それがどれほど広範囲に機能するか、また、亀裂が「治癒」することがあるプラスチックなど、追加の制約がある場合にどのように修正できるかは驚くべきことだと彼は言う。 断片化は単なる興味深い物理問題ではありません。これをよりよく理解すれば、たとえば鉱業で鉱石を粉砕するのにエネルギーがどのように費やされるか、あるいは地球の気温が上昇するにつれて山岳地帯でますます発生する落石にどのように備えるかについて、真の意味を持つ可能性がある、とクン氏は言う。 今後は、破片のサイズだけでなく、その形状の分布も考慮すると興味深いかもしれないとクン氏は言う。さらに、フラグメントの可能な最小サイズを決定することは未解決の問題である、と Villermaux 氏は言います。 トピック: #物理学者は物体がどのように砕けるかについての普遍的な法則を解明した