Kendi bedenlerimiz de dahil olmak üzere çevremizdeki tüm yapıları ve fiziksel sistemleri oluşturan malzemeler mükemmel değildir – küçük çatlaklar şeklinde kusurlar içerir. Bu çatlaklardan biri aniden ve hızla yayıldığında, hayatı tehdit edici olabilir, ancak çatlakların oluşturduğu zengin, karmaşık desenler de muhteşem ve ilgi çekici olabilir.
Şimdiye kadar, fizikçiler çatlakların neden genellikle beklenen yollarından ayrıldığını ve saptıklarını ve sonuç olarak yavaşladığını açıklayan teorik bir çerçeve sağlamak için mücadele ettiler.
Weizmann Bilim Enstitüsü’nden yapılan son iki çalışma, çatlakların düzensiz yayılmasına düzen getiriyor ve her çatlak benzersiz görünse de, yayılma işlemini şekillendiren ve asimetrik çatlak paternlerinin oluşumunu açıklayan nicel fiziksel parametreler olduğunu gösteriyor.
Malzeme yetmezliğinde onlarca yıllık kontrollü deneyler, gerilme kuvvetleri altında mükemmel bir simetrik çatlak yaratıldığında bile, yayıldıkça kendiliğinden simetriyi kaybettiğini, rotayı ve beklenenden daha yavaş hareket ettiğini göstermiştir.
Prof. Eran Bouchbinder, “Bu gözlemler, teorik hesaplamalara dayanarak beklediğimiz şeyin tam tersidir, bu da gerginlik altında simetrik bir çatlak yolunda küçük bir engel getirsek bile, çatlağın pürüzsüz, simetrik bir yörüngeye geri dönmesi gerektiğini öngörmektedir.
Diyerek şöyle devam etti: “Deneysel kanıtlar göz önüne alındığında, eksik bağlantılar olması gerektiğini varsaydık – gözlemlenen davranışı hesaba katabilecek gözden kaçan fiziksel özellikler.”
İki çalışmadan birinde – Doğa İletişimi ve daha sonra Weizmann’ın Kimyasal ve Biyolojik Fizik Bölümü’ndeki Bouchbinder grubunda doktora öğrencisi Dr. Yuri Lubomirsky tarafından yönetilen araştırmacılar, üç boyutlu malzemelerde çatlakların yayılmasını simüle etmek için bir bilgisayar modeli kullandılar.
Lubomirsky, “Çatlak yayılmasını anlamak için, çatlak ucuna odaklandık – malzemenin sağlamdan kırılmaya geçtiği nokta,” diye açıklıyor Lubomirsky. “Çoğu zaman materyalin çoğu boyunca ılımlı koşullar geçerli olsa da – davranışları genellikle özelliklerinin ortalaması alınarak anlaşılabilir – çatlak ucu aşırı koşullara tabidir.
“Kuvvet, sıcaklık ve hız gibi fiziksel miktarlar o kadar büyüktür ki, matematiksel olarak sonsuza yaklaşan olarak muamele edilebilirler ve olağan fiziksel kurallar artık geçerli değildir. Çatlak ucunun asimetrik çatlak yayılmasını açıklayan gizli özellikleri ortaya çıkarabileceğini varsaydık.”
Araştırmacıların bu eksik fiziksel özellikleri yedi yıllık arayışı bazen sinir bozucuydu. “Nihayetinde, atılım simülasyonlara önemli bir bozukluk getirilmesinden geldi – daha önce dinamik maddi başarısızlık teorilerinde göz ardı edilen bir faktör.
Bouchbinder, “Gelişmiş bilgi işlem özelliklerini kullanarak çok sayıda simülasyon yaptık ve çatlakın başlangıçta yerel olarak ayrıldığı ve daha sonra yön değiştirdiği bir noktaya ulaşana kadar doğrudan hareket ettiğini gözlemledik.” Diyor.
“Zorluk, çatlakın neden pürüzsüz, simetrik bir yoldan dallandığını ve saptığını açıklayan temel prensipten çok miktarda veri elde etmekti. Bir gün Yuri’den iki grafiği çapraz referans yapmasını istedim: bu zaman tıkladığı zaman, gerçek dünya malzemelerinin içsel bozukluğu, çatlak ucundaki aşırı koşullarla birleştirildi.”
Çatlak kuralları
Fizik yasaları, tek tip malzemelerin davranışını oldukça iyi açıklar, ancak dünyadaki çoğu malzeme gerçekten tek tip değildir. Örneğin cam pürüzsüz ve homojen görünür, ancak parçacıklarına daha yakından bir bakış ve aralarındaki bağlantılar tutarlı düzenden yoksun bir yapı ortaya çıkarır. Bu, cam içinde hareket eden iç kuvvetlerin bir bölgeden diğerine değiştiği anlamına gelir.
Şimdiye kadar, kırık dinamiklerini anlamaya çalışan mühendisler ve bilim adamları ortalama malzeme özelliklerine güveniyorlardı ve böylece çatlakların neden simetriyi kırdığını açıklayamadılar. Bouchbinder ve Lubomirsky, cevabın iç bozukluk derecesinde, yani malzemenin gücünün bir yerden yere ne kadar değiştiğini fark ettiler.
Araştırmacılar bilgisayar modellerine değişen kırılma kuvvetleri uyguladılar ve çatlak yayılımı ve malzeme bozukluğu arasındaki ilişkiyi incelediler. Kırılma kuvvetleri zayıf olduğunda, çatlakların dallanmadan simetrik olarak yayıldığını ve büyük ölçüde bozukluktan etkilenmediğini gözlemlediler.
Bununla birlikte, kırılma kuvvetleri orta olduğunda, çatlaklar düzensizliğe duyarlı hale geldi: çatlak ucu daha zayıf bir bölgeye ulaştığında, yerel istatısles gelişti ve çatlakın düz bir çizgide devam etmek yerine yerel olarak bölünmesine neden oldu. Bu yerel dallar birbirleriyle yarıştı – biri şube dururken, diğeri ana çatlak olarak devam edecek ve genellikle yön değiştirecekti.
Bu bölgelerin retrospektif incelemesi, ikincil dalların tutuklandığı mikro çatlakları ortaya çıkarmıştır. Başka bir deyişle, bu rejimde dallanma derecesi doğrudan bozukluğa bağlıydı.
Son olarak, kırılma kuvvetleri kritik bir eşiği aştığında, çatlak artık istikrarsızlık noktalarında durmadı, ancak malzemeye daha da genişleyen ve nüfuz eden tamamen ayrı dallara ayrıldı. Bu yüksek kuvvetli rejimde, düzensizlik bir kez daha küçük bir rol oynadı.
Simetri eksenlerinden çatlakların sapması ve dalların oluşumu enerjik bir maliyetle gelir: daha fazla miktarda malzeme kırılır ve çatlakın hızı, pürüzsüz ve simetrik kalması halinde ulaşacağı hıza göre azalır.
Çatlaklarda yaygın olarak görülen bir başka fenomen – aynı zamanda simetri kırılmaya da bağlı – etkileşen iki kırık yüzeyinden oluşan adımların oluşumudur. İçinde yayınlanan bir takip çalışmasında Fiziksel İnceleme Mektuplarıaraştırmacılar bu modelin nasıl oluştuğunu araştırdılar.
Step oluşumunun sadece iç bozukluk derecesine değil, aynı zamanda dış gerilme kuvvetlerinin mükemmel simetriden hafif sapmalarına da bağlı olduğunu bulmuşlardır. Çatlak açan gerilme kuvvetlerine ek olarak, çatlak yüzlerinin dönme hareketinde birbirinden geçmesine neden olan neredeyse her zaman dik kuvvetler vardır.
Hem kuvvet türlerini hem de iç bozukluğu matematiksel modellerine dahil eden bilim adamları, adım modelinin ortaya çıkışını tahmin etmeyi ve açıklamayı başardılar.
Bouchbinder, “Bu keşifler, günlük yaşamda karşılaştığımız çatlak dinamikleriyle maddi başarısızlığı anlamak için fiziksel ve matematiksel bir çerçeve sunuyor” diyor.
Lubomirsky, “Bulgularımız, felaket çatlamasına daha dayanıklı malzemelerin tasarlanmasına da yardımcı olabilir. Artan bozukluğun yayılmayı yavaşlatabileceğini gösteriyoruz – yapıların ve fiziksel sistemlerin tasarımı için önemli bir etkisi olabilecek bir içgörü.
“Kemikler ve dişler gibi doğal malzemeler başarısızlığa direnmek için gelişti ve iç bozukluklarının esnekliklerinin arkasındaki temel faktörlerden biri olması mümkündür. Bulgularımız da doğanın çalışmalarına yeni ışık tuttuğu yerdir.”
