نظریه و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که شکستگی های مرموزی که هنگام فشرده‌سازی یک مادّهٔ ترد ظاهر می‌شوند، ناشی از انباشت پنهان کشش درونی است.

محکوم به شکستن. هنگامی که بتن (که در اینجا نشان داده شده) یا هر جامد ترد دیگری تحت آزمون فشار قرار می‌گیرد، شکست‌هایی شکل می‌گیرند که بر اساس نتایج نظری جدید، ناشی از نحوهٔ نگه‌داشتن نمونه در جای خود در آزمایش است.

وقتی یک سنگ، سرامیک یا جامد ترد دیگری در امتداد یک محور فشرده ‌شود چه اتفاقی می‌افتد؟ به‌طرز شگفت‌آوری، ترک‌ها غالباً موازی با همان محور شکل می‌گیرند، گویی که مادّه در راستای عمود بر آن محور کشیده شده باشد. با وجود دهه‌ها مطالعه، منشأ این شکافتن محوری همچنان نامشخّص مانده است. اکنون پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند که این اثر از ناحیهٔ متمرکزی از کشش که در درون مادّه ایجاد می‌شود، سرچشمه می‌گیرد [1]. یافته‌های این تیم می‌تواند به دانشمندان در پیش‌بینی شکست‌های زمین‌شناختی و طراحی سازه‌های آسیب‌پذیر (مقاوم در برابر آسیب) کمک کند.

پیش از این مطالعه، سه توضیح اصلی برای شکافتن تحت فشار ارائه شده بود. یکی بر این باور است که ترک‌های ریزِ از پیش موجود در مادّه تحت فشار رشد می‌کنند و در نهایت به هم می‌پیوندند و شکستگی های بزرگ‌تری را تشکیل می‌دهند. نظریهٔ دیگر این اثر را به‌صورت رقابت ترمودینامیکی میان پیکربندی‌های سالم و شکافته تصویر می‌کند. و نظریهٔ سوم به تنش‌های درونی اشاره می‌کند که باعث می‌شوند نواحی‌ای از مادّه روی یکدیگر بلغزند. هر توضیح بخشی از تصویر را در بر می‌گیرد، اما هیچ‌کدام نمی‌تواند به‌طور کامل توضیح دهد که چرا شکافتگی در گسترهٔ وسیعی از مواد به‌شکل مشابهی آغاز می‌شود.

کاوشیک دایال و همکارانش از دانشگاه کارنگی ملون (CMU) در پنسیلوانیا پیشنهاد می‌کنند که این اثر در عوض از یک قید هندسی ساده ناشی می‌شود. هنگامی که یک جامد ترد در آزمون فشار میان دو صفحهٔ صُلب فشرده می‌شود، به‌طور طبیعی تمایل دارد به‌سمت پهلوها گسترده شود. اما دو لبه ای از جامد که توسط صفحات فشرده می‌شوند، آزاد نیستند که گسترش یابند. بنابراین، بخش میانی بیش‌ترین گسترش را می‌یابد و لبه‌ها اصلاً نمی‌توانند گسترش یابند. این محدودیت، با وجود آنکه بار کلی از نوع فشاری است، نیرویی کششی (تنش کششی) در درون جسم جامد ایجاد می‌کند. شکافتن محوری زمانی آغاز می‌شود که این کشش از استحکام کششی مادّه فراتر رود.

پژوهشگران توضیح می‌دهند که سازوکار آن‌ها را می‌توان معکوس پدیدهٔ دیگری دانست: اگر یک ورقهٔ نازک لاستیکی در دو انتها مهار شده و سپس کشیده شود، چین‌خوردگی‌هایی هم‌راستا با جهت کشش ظاهر می‌شوند. چنین ورقه‌ای نمی‌تواند در انتهای خود به‌سمت پهلوها جمع شود، که این امر به فشار عمود بر جهت کشش و در نتیجه به چین‌خوردگی می‌انجامد.

فیلم را ببینید: کشش و فشار، تنش‌های درونی مشابهی ایجاد می‌کنند. در سمت چپ، یک ورقهٔ نازک مهار شده و سپس کشیده می‌شود (فلش‌های سرخ). این ورقه فشار عرضی (فلش‌های آبی) و چین‌خوردگی پیدا می‌کند. در سمت راست، یک جامد ترد میان دو صفحه قرار گرفته و سپس فشرده می‌شود (فلش‌های آبی). این جامد کشش عرضی (فلش‌های سرخ) و ترک خوردگی پیدا می‌کند. (این‌ها انیمیشن‌های شماتیک از تصاویر ثابت هستند، نه ضبط ویدئویی).

M. Khodadad/CMU; right-hand source image adapted from J. Zhang et al. [2]/CC BY 4.0

دایال و همکارانش یک قانون پیش‌بینانهٔ استحکام استخراج می‌کنند. این قانون، مقاومت جامد در برابر شکافتن محوری را به استحکام کششی و هندسهٔ آن و به فشاری که گسترش جانبی آن را محدود می‌کند، مرتبط می‌سازد. برای راستی‌آزمایی این قانون، پژوهشگران پیش‌بینی‌های آن را با داده‌های آزمون فشار موجود در ادبیات علمی برای شش مادّهٔ ترد، از سنگ‌ها تا سرامیک‌ها، مقایسه کردند. آن‌ها تطابق خوبی میان پیش‌بینی‌ها و داده‌ها یافتند که از سازوکار پیشنهادی آن‌ها پشتیبانی می‌کند.

مریم خداداد، عضو تیمCMU، می‌گوید: «این نتایج نشان می‌دهند که استحکام فشاری یک مادّهٔ ترد نه‌تنها به خود مادّه، بلکه به شکل آن و نحوهٔ مهارشدن آن نیز بستگی دارد. بازشناسی این سهم‌های پنهان می‌تواند شیوهٔ تفسیر دانشمندان از آزمایش‌های فشار و پیش‌بینی شکست در این مواد را تغییر دهد.» یافته‌های پژوهشگران هم‌اکنون توضیح می‌دهد که چرا حتی فشاری جانبی و اندک می‌تواند از شکاف برداشتن به‌طور چشمگیری بکاهد. این فشار، تنش داخلی‌ای را که موجب ایجاد ترک‌ها می‌شود، کاهش می‌دهد.

مارتین اوستویا-استارزفسکی، متخصص مکانیک در دانشگاه ایلینویز اِربانا-شمپین، این نکته را جالب توجه می‌یابد که "شکافتن فشاری از یک سازوکار جبری و هندسه‌مهارشده برمی‌خیزد، نه از توزیع‌های تصادفی عیوب مادّه." او می‌گوید علاوه بر این، این پژوهش نشان می‌دهد که «فرض معمول مستقل بودنِ مقاومت‌های کششی و فشاری، در شرایط فشارِ محدودشده (تحت قید) دیگر صادق نیست.»

دایال و همکارانش امیدوارند در آینده بررسی کنند که چگونه سازوکار آن‌ها به مواد پیچیده‌تر، به‌ویژه جامدات متخلخل و ناهمگن، گسترش می‌یابد؛ جامداتی که در آن‌ها فشار سیال، ساختار درونی و مهارشدگی می‌توانند بر شکل‌گیری شکست تأثیر بگذارند. به گفتهٔ این تیم، چنین کاری می‌تواند به دانشمندان در درک نحوهٔ شکستن استخوان و سایر مواد زیستی یا پرداختن به مسائل مربوط به استخراج انرژی زمین‌گرمایی یا ذخیره‌سازی زیرزمینی CO₂ کمک کند.

1. M. Khodadad et al., “Compressive splitting in brittle solids: The inverse of wrinkling in sheets,” Phys. Rev. Lett. 137, 196101 (2026).

2. J. Zhang et al., “Study on the corrosion behavior and mechanical response of weakly cemented sandstone in alkaline solutions,” PLoS ONE 19, e0309544 (2024).

منبع:

Why Brittle Solids Crack Under Pressure