Wat hebben een gebroken bord, een suikerklontje dat tussen twee vingers wordt geplet, en een zeepbel die barst met elkaar gemeen? Op het eerste gezicht misschien niet veel, maar een recente wetenschappelijke studie onthult dat ze allemaal dezelfde breuklogica volgen. Deze ontdekking, gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, zou onze kijk op de materiële wereld kunnen veranderen. De principes die uit deze studie blijken, zijn van toepassing op verschillende soorten materialen, waaronder vaste stoffen, vloeistoffen en gasbelletjes.
Wanneer een materiaal breekt, laat het een verrassend bekend patroon van fragmenten achter. Ongeacht het voorwerp en de schaal, blijft de verhouding tussen grote stukken en kleine scherven min of meer constant. Een steen van tien kilo en een eenvoudig stuk brood produceren misschien niet hetzelfde aantal fragmenten, maar de relatieve verdeling van hun groottes is opvallend vergelijkbaar.
Chaos met Regels
Onderzoekers vermoeden al lange tijd dat deze constante een universele wet van ‘fragmenteringsprocessen’ aangeeft. In zijn studie neemt Emmanuel Villermaux, een fysicus aan de Universiteit van Aix-Marseille, aan dat de fragmentatie van objecten onderworpen is aan het principe van ‘maximale wanorde’. Met andere woorden, de waarschijnlijkste uitkomst van een breuk is de meest onordelijke en onregelmatige vorm. Handig voor degene die het moet opruimen…
Villermaux legt uit dat deze onvoorspelbaarheid bepaalde grenzen heeft. Hij introduceert een conserveringswet die ervoor zorgt dat de grootte van de fragmenten constant blijft en niet willekeurig verandert. Door deze twee principes te combineren, kon hij een wiskundige vergelijking opstellen die de granulometrische verdeling (de verdeling van groottes) van de fragmenten van een gebroken voorwerp beschrijft. De wetenschapper verifieerde deze formule door een breed scala aan gebroken objecten te vergelijken, van spaghetti tot vloeistofdruppels. “Alle granulometrische verdelingen kwamen overeen met de voorspellingen”, benadrukt hij.
Met andere woorden, ongeacht welk object breekt, er zal altijd dezelfde verdeling zijn onder de fragmentgroottes. Hoewel de nieuw ontdekte wet niet in elke situatie van toepassing is – zoals wanneer een regelmatige vloeistofstraal in gelijke druppels uiteenvalt, of wanneer de fragmenten met elkaar interageren – kan het wetenschappers helpen te begrijpen hoe energie wordt verdeeld bij het breken van materialen in de industrie of hoe men zich kan voorbereiden op steenslag.
