نجح علماء معهد وايزمان للعلوم في اكتشاف قوانين فيزيائية تفسر سبب انتشار الشقوق في المواد بشكل غير متماثل، مما يمهد الطريق لتطوير مواد أكثر متانة.
إن المواد التي تتكون منها جميع الهياكل والأنظمة المحيطة بنا، وكذلك أجسامنا، ليست مثالية - فهي تحتوي على عيوب في شكل شقوق صغيرة. عندما ينتشر أحد الشقوق فجأة وبسرعة، فقد يشكل ذلك تهديدًا للحياة، ولكنه قد يثير أيضًا الدهشة والدهشة من المسار الغني والفريد والمتفرّع الذي تتركه الشقوق في المادة. حتى الآن، واجه علماء الفيزياء صعوبة في تفسير الأسباب النظرية وراء انقسام الشقوق وانحنائها، وبالتالي تحركها بسرعة أبطأ من المتوقع. في دراستين جديدتين، نُشرت نتائجهما مؤخرًا، نجح علماء معهد وايزمان للعلوم في تنظيم ظاهرة انتشار الشقوق غير المنظمة في مادة ما، وأظهروا أنه على الرغم من أن كل شق يبدو فريدًا من نوعه، إلا أن هناك خصائص فيزيائية كمية تشكل عملية انتشار الشقوق ويمكن أن تفسر سبب انقسامها وتشكيل أنماط غير متماثلة.
لقد أظهرت عقود من التجارب التي يتم التحكم فيها في مجال فشل المواد أنه حتى عندما يتم إنشاء شق متماثل تمامًا تحت قوى الشد، فإنه أثناء تقدمه عبر المادة، ينكسر التناظر تلقائيًا وينحرف عن مساره ويتحرك بسرعة أقل من المتوقع. يقول البروفيسور جوردان: "هذه الملاحظات تتناقض بشكل صارخ مع التوقعات النظرية التي نعرفها". عيران بوشبيندر. تُظهر جميع الحسابات النظرية أنه حتى لو وضعنا عائقًا صغيرًا أمام شقٍّ متماثل تحت تأثير الشد، فإنه سيعود إلى مساره المتماثل والأملس. وفي ضوء الملاحظات التجريبية، افترضنا وجود روابط مفقودة - وهي خصائص فيزيائية لم تُؤخذ في الاعتبار وتُشكل أساس الملاحظات.
في الدراسة أنوقد نشرت نتائجه في مجلة طبيعة الاتصالاتبقيادة الدكتور يوري لوبوميرسكي، الذي كان آنذاك طالب دكتوراه في مجموعة البروفيسور بوخبيندر من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية، استخدم الباحثون نموذجًا حاسوبيًا يحاكي تطور الشق في مادة ثلاثية الأبعاد. "لفهم انتشار الشق، ركزنا على حافته، وهو المكان الذي تتحول فيه المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة المكسورة"، يوضح الدكتور لوبوميرسكي. في حين أن الظروف في معظم المواد، وفي معظم الأوقات، معتدلة، ويمكن فهم سلوك المادة من خلال النظر إلى خصائصها المتوسطة، إلا أن هناك ظروفًا قاسية على حافة الشق. الكميات الفيزيائية المألوفة لدينا - القوة ودرجة الحرارة والسرعة - هائلة لدرجة أنه يمكن اعتبارها لا نهائية رياضيًا، وهي لا تخضع للقواعد المعتادة. افترضنا أنه عند حافة الشق، يمكننا تحديد الخصائص الغامضة التي تفسر الانتشار غير المتماثل للشقوق.
لقد استغرقت الرحلة التي خاضها العلماء في البحث عن هذه الخصائص الفيزيائية الجديدة سبع سنوات وكانت محبطة في بعض الأحيان. كان أساس هذا الاختراق الذي تحقق في النهاية هو إدخال اضطراب كبير في عمليات المحاكاة، وهو عنصر لم يُؤخذ في الاعتبار في النظريات الديناميكية لفشل المواد. أجرينا العديد من عمليات المحاكاة الحاسوبية بالاعتماد على قدرات حسابية متقدمة، ولاحظنا أن الشق يتحرك بشكل مستقيم إلى نقطة معينة يحدث فيها انقسام موضعي، ومن هناك يمكن للشق أن يغير اتجاهه، كما يصف البروفيسور بوخبيندر. كان التحدي يكمن في صياغة المبدأ الأساسي، من خلال المعلومات الوفيرة التي كانت لدينا، والذي يُفسر سبب انقسام الشق وانحرافه عن مساره الانسيابي المتماثل. في أحد الأيام، طلبت من يوري أن يُجري رسمًا بيانيًا، وحصلنا على الإجابة - إن الاضطراب الذي يميز المواد في العالم الحقيقي، بالإضافة إلى الظروف القاسية على حافة الشق، هما الحلقة المفقودة على طول الطريق.
كسر القواعد
تشرح قوانين الفيزياء خصائص المواد المنتظمة بشكل جيد، ولكن معظم المواد في عالمنا ليست كذلك. على سبيل المثال، قد يبدو الزجاج أملسًا ومتجانسًا للعين المجردة، ولكن إذا نظرت عن كثب إلى الجسيمات التي يتكون منها والروابط بينها، ستجد أنه في الواقع مادة بدون نظام دائم. وبالتالي فإن القوى الداخلية التي تضغط أو تمدد أي منطقة فيها تتغير. حتى الآن، استخدم معظم المهندسين والعلماء الذين حاولوا دراسة ديناميكيات انكسار المواد خصائصهم المتوسطة، وبالتالي لم يتمكنوا من فهم سبب عدم تماثل الانكسار. ما فهمه البروفيسور بوخبيندر والدكتور لوبوميرسكي هو أن تفسير ذلك يكمن في درجة الفوضى في المادة نفسها، أي في درجة التغير في قوة مناطق مختلفة من المادة.
قام العلماء بتطبيق قوى كسر ذات شدة متغيرة على النموذج الحاسوبي للمادة ووصفوا العلاقة بين تطور الشقوق والاضطراب. لقد رأوا أنه عندما تكون قوى الكسر ضعيفة فإن الشق يتقدم بالفعل بشكل متماثل دون انقسامات ثانوية ولا يتأثر باضطراب المادة. وعلى النقيض من ذلك، عندما تكون قوى الكسر معتدلة، يتأثر انتشار الشق في المادة بالاضطراب: عندما يصل طرف الشق إلى منطقة ضعيفة في المادة، يتطور عدم الاستقرار، وبدلاً من الاستمرار في التقدم بشكل مباشر، فإنه ينقسم محليًا. تتنافس الانقسامات مع بعضها البعض، فيتوقف أحدهما ويستمر الآخر باعتباره الشق الرئيسي الذي لا يتحرك بالضرورة في اتجاه التقدم السابق، وبالتالي ينحني الشق؛ عندما تنظر إلى هذه النقاط بعد وقوعها، ترى كسورًا دقيقة في المادة حيث توقفت الفروع الفرعية المختلفة. وبعبارة أخرى، في هذا السيناريو تعتمد درجة التباعد على درجة الاضطراب. وأخيرا، عندما تتجاوز قوى الكسر عتبة معينة، بدلا من أن يتوقف الشق عند نقاط عدم الاستقرار، فإنه ينقسم إلى فروع منفصلة تماما تتوسع وتتغلغل في عمق المادة بالكامل. في هذا النظام، لم يعد الاضطراب يلعب دورا مركزيا. ويصاحب انحراف الشق عن محور تماثله وظهور التشعبات تكلفة طاقة لكسر كمية أكبر من المادة وتباطؤ الشق مقارنة بالسرعة التي كان سيكتسبها لو ظل متماثلًا وناعمًا.
هناك ظاهرة أخرى تظهر غالبًا في الشقوق، وترتبط أيضًا بكسر التناظر، وهي إنشاء خطوات تتكون من سطحين للكسر يتفاعلان مع بعضهما البعض. وقد قام العلماء بالتحقيق في تشكيل هذا النمط في دراسة متابعة، والتيوقد نشرت نتائجه في المجلة العلمية استعراض للحروف البدنية. اكتشفوا أن تشكيل الخطوات يعتمد أيضًا على درجة الاضطراب الداخلي في المادة، ولكن أيضًا على انحراف قوى الشد الخارجية عن حالة متماثلة تمامًا. لقد تبين أنه بالإضافة إلى قوى الشد التي تفتح الشق، فإنه من غير الممكن تقريبًا تجنب القوى العمودية على الشق والتي تتسبب في انزلاق ضفافه فوق بعضها البعض في حركة دورانية. وعندما أعطى العلماء تعبيرًا رياضيًا لهذه الاضطرابات والقوى، تمكنوا من التنبؤ وشرح كيفية تشكل نمط الدرج.
يقول البروفيسور بوخبيندر: "توفر هذه الاكتشافات إطارًا فيزيائيًا ورياضيًا يسمح لنا بفهم ظاهرة فشل المواد الناجمة عن ديناميكيات التشقق التي نواجهها في الحياة اليومية". كما أنها تُرسي الأساس لتصميم مواد أكثر مقاومة للتشققات الكارثية. وتشير النتائج إلى أن زيادة درجة الاضطراب يُمكن أن تُبطئ انتشار التشقق، وقد تكون ذات أهمية كبيرة في تصميم الهياكل والأنظمة الفيزيائية، كما يضيف الدكتور لوبوميرسكي. "لقد تطورت المواد الطبيعية، مثل تلك التي تتكون منها عظامنا وأسناننا، لتصبح مقاومة للفشل، وإحدى الطرق الرئيسية التي قد يرتبط بها هذا الأمر هي درجة اضطرابها." "وبهذه الطريقة، سيتم أيضًا الكشف عن طبقة جديدة في فهمنا للطبيعة."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
