Una de las funciones de la física, que le es inherente y tal vez no apreciamos como se debe, es la de explicar cómo funcionan las cosas en el mundo real, para luego formular reglas generales. Parece que es posible hacerlo, incluso para lo que creemos que sucede al azar, como cuando se caen las cosas y se rompen. Ahora hay una nueva regla universal que explica cómo se rompen los objetos.
Según esta nueva ley, todo sólido capaz de romperse en pedazos – un plato de cristal, piedras que caen, galletas que desprenden migas – seguirá los mismos procesos físicos de fragmentación. En un reciente trabajo de Physical Review Letters, el experto en mecánica Emmanuel Villermaux de la Universidad Aix-Marseille de Francia propuso una ecuación general que ilustra un patrón inesperadamente lógico y matemático de cómo se rompen las cosas.
Una grieta en la física
Imagina filmar cómo se rompe una taza de cristal con una cámara de alta velocidad. Podrías ver cómo se ramifican las grietas de la superficie y cómo esporádicamente se funden, creando eventualmente secciones más grandes que se desprenden, trozos de lo que era la taza. Tal vez parezca ingrata la tarea de predecir cómo se forman esas rajaduras y roturas, pero la física hace tiempo sospecha que hay un mecanismo universal detrás de lo que aparenta ser un proceso al azar.
“Los procesos de fragmentación fascinan a los físicos porque combinan elementos de la geometría, la dinámica y el desorden”, escribió en Viewpoint Ferenc Kun, físico de la Universidad de Debrecen de Hungría, que tuvo participación en el nuevo trabajo.
Antes de Villermaux, los científicos en general se concentraban en los detalles menores, como el movimiento de cada grieta o la distribución de la tensión sobre la superficie sólida al caer al piso. Otros intentos describían la fragmentación como “un tipo de transición de fases”, según explicó Kun. Sin embargo, nadie había podido captar por completo todas las instancias de la rotura fuera del laboratorio, según indicó el físico.
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Villermaux hizo algo diferente: se concentró no en las grietas sino en los resultados de los eventos de rotura. Para el nuevo trabajo enumeró todas las formas posibles en que podía romperse algo en términos de la entropía o medición del caos. Por ejemplo, el resultado más simple de baja entropía sería que un plato de cristal se rompiera en cuatro trozos iguales ,en tanto que la alta entropía daría como resultado muchos fragmentos irregulares y astillas de cristal.
Según el trabajo, el caso más realista sería este último, que Villermaux atribuyó a un principio conocido como máximo azar. “Es similar a la forma en que derivaron muchas leyes sobre los grandes arreglos de las partículas en el siglo 19”, le dijo Villermaux a New Scientist. También usó una ley de conservación global que él y sus colegas ya habían derivado para poner un límite físico a lo caóticos que serían esos fragmentos. Aplicó esta nueva ecuación a una enorme cantidad de objetos de la vida real, en una larga lista de materiales como platos, conchas, spaguetti, basura en el océano, rocas en escamas que servían como martillos y hasta gotas y burbujas de líquidos.
La ecuación funcionó perfectamente en cada uno de estos casos, según informa Villermaux en el trabajo. Pero a diferencia de trabajos anteriores sobre temas similares, la ecuación de Villermaux funciona mejor en la fragmentación verdaderamente azarosa y no se aplica tan bien a los materiales más blandos como algunos plásticos.
Con todo, las limitaciones forman parte de lo que hace sólido al modelo porque representa el primer fundamento estadístico y realmente general para las roturas al azar, afirmó Kun. Un principio tan general podría “ayudar a la ciencia a entender cómo influyen los diferentes procesos físicos a la distribución de fragmentos y sus tamaños en entornos industriales, geofísicos y astrofísicos”, añadió.
