Als een drinkglas op de grond valt en breekt, de scherven variëren in grootte van groot tot extreem klein. Voor het gebroken glas van een bushokje, het verhaal is anders:alle fragmenten zijn ongeveer even groot. Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam, Unilever Vlaardingen en EPFL Lausanne onderzochten het breekfenomeen, en ontdekte dat twee heel verschillende processen de twee soorten scherven veroorzaken. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie deze week.

De uitzondering op de regel

De waarneming dat er fragmenten zijn van alle groottes, blijkt te gelden voor allerlei typische breek- en fragmentatieprocessen. Echter, er zijn uitzonderingen:denk aan kapotte bushokjes, waar alle glasscherven min of meer even groot zijn. Dit verschil is geen toeval - het blijkt een belangrijk stukje van de puzzel te zijn dat leidt tot een verklaring voor de manier waarop normale objecten in stukjes breken.

Stefan Kooij, Gerard van Dalen, Jean-François Molinari en Daniel Bonn onderzochten het fragmentatieproces, en ontdekte dat er twee heel verschillende manieren van breken bestaan. Het bijzondere gedrag van het glas in bushokjes ontstaat doordat dat glas op een bijzondere manier is behandeld, waardoor het glas inwendige spanningen krijgt. Die spanningen leiden uiteindelijk tot de gelijkenis van de fragmenten.

Om het proces te bestuderen dat plaatsvindt in bushokjeglas, onderzochten de onderzoekers een soortgelijk glas:de 'Prince Rupert's drop', ook wel een 'Hollandse traan' genoemd. Deze glasdruppels - zie de linker afbeelding hierboven voor een voorbeeld - worden gemaakt door gesmolten glas in koud water te laten druppelen. Omdat het glas eerst aan de buitenkant stolt en pas later aan de binnenkant, waardoor het een beetje krimpt, grote spanningen ontwikkelen zich in de druppel, vergelijkbaar met die van bushokjeglas. Op het internet, er zijn veel video's te vinden die de speciale eigenschappen van de druppels laten zien:ze zijn bestand tegen een hamerslag, maar in ontelbare stukken uiteenvallen wanneer de 'staart' van de druppel wordt geknepen.

Hiërarchisch en willekeurig

Met behulp van verschillende technieken, waaronder het gebruik van CT-scans om bijna 22 te meten, 000 fragmentgroottes van een druppel van Prince Rupert - de onderzoekers bestudeerden de verschillende fragmentatieprocessen. Door het breken van de druppels van Prince Rupert te vergelijken met de fragmentatie van andere materialen, ze konden afleiden dat er twee soorten fragmentatieprocessen bestaan, die ze hiërarchisch en willekeurig noemden.

Als je een gewoon glas op de grond laat vallen, het proces dat plaatsvindt is het hiërarchische proces. De energie in de beweging van het glas is veel groter dan nodig is om een ​​enkele breuk te forceren. Om alle kinetische energie kwijt te raken, er ontstaan ​​steeds meer breuken in het glas. Het proces is hiërarchisch - het gaat van grote naar steeds kleinere scheuren - en resulteert in het feit dat uiteindelijk, er is geen karakteristieke fragmentgrootte.

Verreweg de meeste situaties waarin objecten breken, zijn van dit hiërarchische type. De uitzondering doet zich voor wanneer de energie om het object te breken niet van buiten komt, maar is het resultaat van interne spanningen, zoals het geval is bij bushokjesglas en de druppels van prins Rupert. In zo'n geval, de vorming van de breuken gebeurt niet van groot naar klein, maar op een volkomen willekeurige manier, waarbij het 'splijten' van de scheuren afhangt van de interne spanningen. Als resultaat, de fragmenten hebben in dit geval wel een bepaalde grootte, bepaald door de grootte van de interne spanning in het materiaal.

Het feit dat deze twee soorten fragmentatie bestaan, is niet alleen een interessante curiositeit; de resultaten van het onderzoek kunnen ook leiden tot bruikbare praktische toepassingen. Hier, denk aan het ontwikkelen van beter veiligheidsglas voor autoruiten, maar ook van de productie van medicijnen, waarbij de fragmentatiegrootte een belangrijke rol speelt bij de opnamesnelheid van het geneesmiddel door het lichaam.