نقطة الانهيار

كيف ينكسر السطح الزجاجي أو المادة البلاستيكية أو الطبقة الخرسانية تحت الضغط؟ هذا السؤال له أهمية اقتصادية كبيرة، ويؤثر على العديد من المجالات - من سلامة أجنحة الطائرة إلى تصميم مواد قوية جديدة

كيف ينكسر السطح الزجاجي أو المادة البلاستيكية أو الطبقة الخرسانية تحت الضغط؟ هذا السؤال له أهمية اقتصادية كبيرة، ويؤثر على العديد من المجالات - من سلامة أجنحة الطائرة إلى تصميم مواد قوية جديدة. למעשה, עקרונות התהליך הבסיסי הזה – היסדקות מהירה – נותרו עדיין בגדר תעלומה, בין היתר מפני שקשה מאוד לצפות בו: סדק מהיר יכול לחצות את החומר בקצב קרוב למהירות הקול, בעוד הכוחות שמניעים את הסדק מוגברים במידה יוצאת דופן, ומתרכזים בשטח זעיר בסמוך לקצה הנע له.

الدكتور عيران بوشبيندر، الذي انضم مؤخراً إلى قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، مهتم بفيزياء المواد الصلبة خارج التوازن. بمعنى آخر، فهو يدرس كيفية اعوجاجها وانزلاقها وكسرها تحت تأثير القوى الميكانيكية. وفي بحث مشترك مع مجموعة أبحاث البروفيسور ج. فاينبرج من الجامعة العبرية في القدس، حيث أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه، طور الدكتور بوشبيندر نظرية جديدة، والتي قد تمنح العلماء والمهندسين أداة جديدة للتحقيق في عملية التكسير. استند البحث، الذي نُشرت نتائجه مؤخرًا في المجلة العلمية Science، إلى اختراق في مختبر البروفيسور فاينبرج: مادة هلامية تنكسر مثل الزجاج، ولكن بسرعة أبطأ بـ 500 مرة، ولها مساحة حافة أكبر بكثير من المعتاد - أي أن حافة الشق كبيرة وبطيئة بدرجة كافية بحيث يمكن متابعتها بكاميرا عالية السرعة. وعندما بدأ الدكتور آرييل ليفنا وإيليا سفيتليتسكي - أعضاء فريق البروفيسور فاينبرج - في قياس ديناميكيات تقدم الشقوق في الجل، اكتشفا أن الأرقام لا تتطابق مع النظرية المقبولة. وازداد الانحراف مع اقتراب القياسات من حافة الشق. وخلص العلماء إلى أن النظرية الحالية تفسر بشكل جيد ما يحدث بعيدًا عن حافة الشق، لكنها لا تتناسب مع فيزياء المنطقة القريبة من النقطة التي تحدث فيها عملية التشقق. أتاحت هذه التجارب تحديد الاختلافات بين البيانات التجريبية والنظرية؛ في هذه المرحلة دخل الدكتور بوشبيندر إلى الصورة بهدف إيجاد تفسير لهذا التناقض.

تعتمد رياضيات النظرية التقليدية للتكسير الديناميكي على العلاقة التي صاغها روبرت هوك في القرن السابع عشر، والتي تصف التشوه المرن (أي بدون كسر) للمادة استجابة لقوة خارجية. العلاقة التي أنشأها هوك هي علاقة خطية: تنحني المادة بشكل يتناسب طرديًا مع القوة المطبقة عليها. وتبين أن هذه العلاقة الخطية تسير بشكل خاطئ بالقرب من حافة الشق، مما دفع الدكتور بوشبيندر إلى فهم أن العملية الفيزيائية الرئيسية التي تحدث هي في الواقع مرونة غير خطية. إن الحل التحليلي الذي طوره، واختبره في تجربة أجرتها الدكتورة ليفنا، يشرح قياسات طول الشق بالكامل بتفصيل كبير، حتى بالقرب من حافة الشق. بالإضافة إلى ذلك، فهو يوفر إجابة للعديد من الألغاز التي لا تزال غير مفسرة في النظرية المقبولة، بما في ذلك، من بين أمور أخرى، لماذا لا يتطور التشقق السريع جدًا عادةً في خطوط مستقيمة: غالبًا ما يصبح التشقق غير مستقر، وبالتالي يخلق نمطًا متفرعًا أو متموجًا.

وتحدد نظرية الدكتور بوشبيندر الجديدة مقياس طول جديد في منطقة قمة الشق - وهو غير موجود في النظرية المقبولة - وهو ما قد يفسر عدم الاستقرار المرصود. كما أنه يفسر اتجاه القوى الرئيسية المؤثرة على منطقة طرف الصدع، بطريقة تصحح التنبؤات المثيرة للجدل في النظرية القديمة. والأهم من ذلك، أن النظرية الجديدة تظهر أنه في أي مادة متشققة هناك منطقة انتقالية مرنة غير خطية، والتي تربط بين العمليات الخطية الأبعد وعمليات التكسير الأقرب إلى طرف الشق. بعد مرور أكثر من 300 عام على صياغة قانون هوك، أصبح لدى العلماء والمهندسين نهج جديد لحل ألغاز التشقق الديناميكي.

واليوم، في معهد وايزمان للعلوم، يخطط الدكتور بوشبيندر، المنظر، لمواصلة تعاونه مع مجموعات بحثية من العلماء التجريبيين، بهدف دراسة الظواهر البعيدة عن التوازن في الأنظمة الحقيقية. وتشمل هذه تطوير أدوات رياضية لفهم عمليات مثل التشوهات وعدم الاستقرار في المواد الصلبة البلورية ومتعددة البلورات، والتشوه البلاستيكي للمواد الصلبة غير المنتظمة، والانزلاق تحت ظروف الاحتكاك: وهي عملية ينكسر فيها سطحان متلامسان أثناء الحركة. بالإضافة إلى ذلك، فهو يخطط للبحث عن مواد طبيعية مقاومة لتشكل الشقوق، وذلك بهدف تقليد الطبيعة وتصميم مواد صناعية قوية بشكل خاص.

شخصي

نشأ الدكتور عيران بوشبندر في كفار سابا. عندما كان طالبًا في المدرسة الثانوية كان مهتمًا بالفيزياء والأدب، وفي دراسته الجامعية في جامعة تل أبيب ركز على الفيزياء والفلسفة. وبعد عامين عمل فيهما كفيزيائي في الصناعة، جاء إلى معهد وايزمان للعلوم لمواصلة دراسته في مجموعة البروفيسور إيتمار بروكاسيا من قسم الفيزياء الكيميائية. حصل على شهادته الثالثة في عام 2007، وبعد عامين من أبحاث ما بعد الدكتوراه في الجامعة العبرية، انضم إلى معهد وايزمان للعلوم كباحث أول.

الدكتور بوخبندر متزوج من ميكي، طالبة دكتوراه في علم الأعصاب في جامعة بار إيلان، ولهما طفلان، يوناتان، خمس سنوات، وشيرا، عامين. وعلى الرغم من أن طريقه أدى إلى العلم، إلا أنه لا يزال شغوفًا بالكتب ويقرأ في كل لحظة فراغ.