De ce obiectele se sparg la fel?
Acel sunet familiar al unui obiect care se sparge
Cu toții am trecut prin asta. Acel moment de plutire al obiectului, urmat de sunetul strident al unei farfurii sau al unui pahar care cade și se sparge pe podea. Prima reacție este adesea un oftat de iritare față de dezordine și de obiectul care trebuie înlocuit. Este perfect normal.
Dar pentru unii fizicieni, această mică dramă cotidiană este o adevărată mină de aur a cunoașterii științifice. Fizicienii își pun o întrebare destul de fascinantă: de ce se sparg obiectele într-o varietate atât de mare de bucăți, de la cioburi mari la particule minuscule de praf? Ei bine, se pare că un cercetător francez, Emmanuel Villermaux de la Universitatea Aix-Marseille, a găsit în sfârșit un răspuns simplu și elegant. Un fel de lege universală care se aplică aproape oricărui lucru care se sparge, fie că este vorba de un solid, o picătură de lichid sau chiar o bulă care explodează.
Un secret bine păstrat de natură
De foarte mult timp, oamenii de știință au avut această intuiție. Bănuiau că există un fel de regulă ascunsă, o semnătură comună în modul în care lucrurile se descompun în fragmente. Imaginați-vă că adunați toate piesele, le sortați după dimensiune și creați un grafic. Ideea este că forma acestui grafic ar fi întotdeauna mai mult sau mai puțin aceeași, indiferent ce s-a spart.
Graficul care prezintă curbele distribuției fragmentelor în funcție de mărimea acestora. Curbele sunt întotdeauna mai mult sau mai puțin aceleași, indiferent de obiectul care s-a spart
Este un fel de rețetă secretă a naturii pentru spargere, dezintegrare, dezagregare, când ordinea se transformă în haos. Dar nimeni nu a reușit cu adevărat să identifice formula exactă. A rămas un mister până de curând.
Principiul „haosului maxim”
Pentru a dezlega acest mister, Emmanuel Villermaux a abordat problema dintr-un unghi destul de original. A început cu o idee simplă: atunci când are loc un eveniment atât de haotic precum fragmentarea, natura tinde să aleagă cea mai simplă și mai dezordonată cale posibilă. Acesta este ceea ce el a numit principiul „caracterului aleatoriu maxim”, adică absența completă a predictibilității sau a preferinței pentru un anumit rezultat.
„Caracterul aleatoriu maxim” se referă la o stare de dezordine completă sau incertitudine maximă, adesea legată de entropia maximă în fizica statistică sau de o distribuție de probabilitate în care toate posibilitățile sunt la fel de probabile (cum ar fi o distribuție uniformă). Aceasta indică absența unei tendințe previzibile și absența unui „mod” identificabil (valoarea cea mai probabilă), deoarece toate valorile au aceeași probabilitate. Este opusul unei distribuții deterministe sau extrem de părtinitoare, în care unele evenimente sunt mult mai probabile decât altele.
Practic, este ca și cum natura, confruntată cu o multitudine de posibilități, ar opta pentru cea care necesită cel mai mic efort, cea care creează cea mai mare dezordine. Este o idee destul de contraintuitivă, nu-i așa? Întotdeauna căutăm ordinea, iar natura a început prin a accepta dezordinea ca punct de plecare.
O dezordine… nu chiar atât de dezordonată
Dar atenție, nu este nici haos total. Există limite fizice care nu trebuie depășite. Aici intră în joc al doilea ingredient al rețetei sale. Villermaux a încorporat în raționamentul său o „lege a conservării” pe care echipa sa o descoperise anterior.
Această lege ar trebui văzută ca o regulă invizibilă a jocului. Ea garantează că proporția generală de fragmente (numărul de bucăți mari comparativ cu numărul celor mici) nu se poate schimba complet anarhic în timp ce obiectul se sparge. Combinând aceste două idei – haosul maxim, pe de o parte și această regulă invizibilă, pe de altă parte – a reușit în sfârșit să formuleze legea sa universală a fragmentării.
Cuburi de zahăr pentru a demonstra teoria
O teorie frumoasă, dar trebuie și demonstrată. Și exact asta a și făcut. Villermaux a arătat că formula sa matematică se potrivea perfect cu decenii de date colectate despre tot felul de obiecte sparte, de la solide la lichide. Aceasta era deja o validare destul de mare.
Dar a mers mai departe. A realizat un experiment foarte simplu și revelator: a zdrobit cuburi de zahăr. Și, bingo! Bazându-se exclusiv pe forma tridimensională a cubului de zahăr, legea sa a prezis cu exactitate distribuția mărimii fragmentelor rezultate. O demonstrație destul de elegantă.
Limitele acestei legi universale
Așadar, această lege explică absolut totul? Nu chiar, are limitele ei. Legea funcționează minunat atunci când un obiect se sparge într-un mod cu adevărat aleatoriu, ca un pahar care lovește podeaua. Cu toate acestea, este mai puțin eficientă dacă materialul este prea moale, ca unele materiale plastice care se deformează înainte de a se sparge.
De asemenea, nu se aplică atunci când spargerea este prea ordonată. De exemplu, un flux de apă care se separă în picături de dimensiuni aproape identice datorită tensiunii superficiale. Acolo, nu este haos. Și totuși, această descoperire rămâne o descoperire majoră. În sfârșit, oferă o cheie pentru înțelegerea acestui fenomen universal care, până acum, părea… ei bine, complet aleatoriu.
© CCC