شلیک پرتابه به صفحات شیشه‌ای یا پلاستیکی نشان می‌دهد که تعداد ترک‌های حاصل‌شده نمایانگر سرعت برخورد و ویژگی‌های ماده‌ی هدف است.

زمانی که سنگ کوچکی به شیشه‌ی اتومبیل برخورد می‌کند، ترک‌هایی که نمایان می‌شوند خوشایند نیستند اما این طرح‌های ستاره‌ای شکل ممکن است حاوی اطلاعاتی در مورد سنگ و شیشه باشند. نتایج آزمایشگاهی در این رابطه در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است که نشان می‌دهد تعداد ترک‌های پراکنده شده از نقطه‌ی برخورد، می‌تواند سرعت برخورد و ویژگی‌های ماده‌ی مورد اصابت را آشکار کند. رابطه‌ی دقیق بدست آمده توسط پژوهش‌گران ممکن است در تجسس‌های قانونی مفید باشد؛ برای مثال جهت تعیین کردن سرعت یک وسیله‌ی نقلیه یا انرژی یک گلوله. هم‌چنین این نتایج جهت درک ویژگی‌های ترک‌مانند در باستان‌شناسی و علوم سیاره‌ای می‌تواند کمک‌کننده باشد.

تعداد ترک‌هایی که به وسیله‌ی برخورد پرتابه با صفحه‌ی شیشه‌ای تولید می‌شود، بیانگر اطلاعاتی در مورد سرعت برخورد و ویژگی‌های صفحه‌ی هدف است.

در مکانیک شکست (fracture mechanics) یک ویژگی مهم، انرژی شکست است که برابر مقدار انرژی لازم برای تشکیل یک ترک بوده و به انرژی سطحی ماده مربوط می‌شود. زیرا ترک، سطح جدیدی را به وجود می‌آورد. پژوهش‌گران به طور معمول فرض می‌کنند که ترک‌ها هنگامی تشکیل می‌شوند که به ماده به سمت مکانی که در آن انرژی شکست کمتر از انرژی کشسانی متناظر است، نیرو وارد می‌شود. یا به عبارت دیگر هنگامی که شکست در مقایسه با خمش به انرژی کمتری نیاز داشته باشد. مواد با پایین‌ترین انرژی شکست، شکننده‌ترین هستند.

نیکولا وندربرگ از دانشگاه اکس مارسی (Aix-Marseille University) در فرانسه می‌گوید: «هنگامی که یک ترک گسترش می‌یابد، این سوال مطرح می‌شود که این طرح ترک‌خوردگی به ما چه می‌گوید؟» در آزمایش اخیر وندربرگ و همکارانش سوراخ‌های ایجاد شده در ورق‌های آلومینیومی را مورد مطالعه قرار داند و دریافتند که تعداد ترک‌ها نشان می‌دهد که برخی از رفتارهای همسان می‌تواند به وسیله‌ی یک مدل نظری [1] توضیح داده شود. این گروه همین تجزیه‌و‌تحلیل «پس از واقعه» را روی سیستم ساده‌ای که مشابه برخورد سنگ به یک شیشه‌ی اتومبیل عمل می‌کند، پیاده‌سازی کرده‌اند.

برای انجام آزمایش، گروه وندربرگ صفحاتی از جنس شیشه و پلکسی‌گلس را با ضخامت‌هایی از حدود نیم میلی‌متر تا چندین میلی‌متر انتخاب کردند. یک تفنگ بادی استوانه‌هایی گلوله‌ای شکل، از جنس فولاد با قطر 4 میلی‌متر به سمت صفحات با سرعتی بین 10 تا 120 متر بر ثانیه شلیک می‌کند. دوربینی با سرعت بالا شروع ترک‌ها و پیشروی آن‌ها را دنبال می‌کند.

ویدئوهای 1 و 2 را ببینید

اولین چیزی که پژوهش‌گران متوجه شدند این بود که تعداد ترک‌ها با جذر سرعت برخورد متناسب است. این نتیجه دلالت بر این دارد که اگر سنگی به آهستگی با شیشه‌ی اتومبیل شما هنگامی که با سرعت 80 مایل بر ساعت در حال رانندگی هستید، برخورد کند شما دو برابر ترک‌هایی را انتظار داشته باشید که زمان رانندگی با سرعت 20 مایل بر ساعت ممکن است اتفاق بیفتد. آن‌ها همان‌طور که انتظار داشتند با مقایسه‌ی مواد مختلف متوجه شدند که تعداد ترک‌ها با افزایش شکنندگی (کاهش انرژی شکست) افزایش می‌یابد. این پژوهش‌گران برای استخراج این رفتار از قوانین فیزیک پایه، فرمولی برای انرژی کل موجود در ورقه بدست آوردند که شامل هر دو انرژی شکست و خمشی است و تعداد ترک‌هایی که این انرژی را به حداقل می‌رساند، محاسبه کردند. معادلات آن‌ها به درستی تعداد ترک‌هایی که باید متناسب با جذر سرعت برخورد و ریشه‌ی سوم انرژی شکست باشند، پیشگویی می‌کند.

وندربرگ می‌گوید که معادلات آن‌ها ممکن است به پلیس برای پیدا کردن جزئیات تصادف یا صحنه‌ی جرم کمک کند. این مدل می‌تواند ویژگی‌های یک ماده‌ی ناشناخته را نیز آشکار کند. برای مثال قمر پوشیده از یخ سیاره‌ی مشتری موسوم به «اروپا» در مکان حفره‌های به وجود آمده در اثر برخورد شهاب‌سنگ‌، دارای خطوط گسترده‌ شده‌ای به سمت بیرون است که الگویی مشابه شکست‌های صفحه‌ای نازک دارد. دانشمندان سیاره‌ای ممکن است قادر باشند مطالبی در مورد شکل‌گیری اروپا با انجام بررسی شمارش دقیق این ساختارهای یخی بدست آورند.

ژان استروم (Jan Åström) از مرکز فناوری اطلاعات  فنلاند (Finnish Information Technology Center for Science) در اسبو می‌گوید که این پژوهش در تلاش‌های روزافزون برای توصیف جنبه‌های مهم شکستگی و تکه‌تکه شدن (fragmentation) سهمی دارد. هوارد استون (Howard Stone) از دانشگاه پرینستون معتقد است که این مطالعه می‌تواند به پژوهش‌گران جهت بازسازی اشیاء تکه‌تکه بدست آمده از حفاری‌های باستان‌شناسی کمک کند. او می‌گوید: «بدیهی است که احتمالاً تفاوت‌هایی در نحوه‌ی تکه‌تکه شدن وجود دارد که به واسطه‌ی چگونگی رخ دادن برخورد است. اما این کار نگاه جدیدی در مورد چگونگی تغییر تعداد ترک‌ها فراهم می‌کند و هم‌چنین نمونه‌ی خوبی از یک مطالعه‌ی کنترل شده است که به بررسی این اثرات می‌پردازد.»

منبع: http://physics.aps.org/articles/v6/48

مرجع:

1. R. Vermorel, N. Vandenberghe, and E. Villermaux, “Radial Cracks in Perforated Thin Sheets,” Phys. Rev. Lett. 104, 175502 (2010).