该定律就像一个无形的框架,即使物体破碎,仍能确保碎片总体平衡受约束。
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物体碎裂成片的方式——"碎裂现象"——长久以来令科学家着迷。研究人员观察到,破碎的物体往往产生尺寸各异的碎片,无论材料如何,其尺寸分布常遵循某种固定模式。基于这一认知,法国艾克斯-马赛大学和法兰西大学研究所的艾曼纽尔·维勒莫提出了一条简洁优美的定律,描述了物体碎裂的普遍规律。该定律适用于脆性固体、液滴乃至爆炸气泡等广泛场景。
这条定律通过提供统一框架,揭示了不同情境下材料破碎的内在规律。维勒莫从分析碎裂过程中的极端无序性入手,提出在多数情况下,结果自然会呈现最混乱、最不规则的状态,他将其称为"最大随机性"原理——本质上是自然选择阻力最小的路径。
同时维勒莫认识到,即使混沌事件也受物理规律制约。为此他引入了团队先前发现的守恒定律,确保看似随机的碎裂过程仍遵循可预测的物理约束。该定律如同无形框架,在物体破碎时维持着大碎片与小碎片间的总体平衡。
通过将最大随机性原理与守恒定律结合,维勒莫推导出普适性碎裂定律。这种研究路径使得碎片尺寸的可预测分布自然显现,为从脆性固体到液滴、气泡等各类材料的碎裂行为提供了统一解释。
最大随机性与守恒定律的结合,使维勒莫得以用数学模型预测碎片尺寸的通用规律。该模型与数十年来脆性固体到液体等多种材料的实验数据高度吻合。研究表明:尽管碎裂过程表面混乱,但碎片形成方式仍受基础物理定律支配,在不同物体中产生可预测的分布模式。
为验证理论,维勒莫设计了一个创新实验:碾碎单颗方糖。他准确预测了碎片尺寸分布,发现碎裂模式清晰反映出方糖的三维形状。当然该定律存在局限——最适用于玻璃杯坠地碎裂这类随机混沌的破碎过程,但对某些易变形而非碎裂的软质塑料预测精度不足。
在高度有序的破碎过程中定律也会失效,例如表面张力作用下水流分裂成均匀液滴的现象。这些例外表明,虽然该定律能解释众多自然碎裂现象,但特定材料和条件仍遵循独特规律。
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