Quando un bicchiere cade per terra e si rompe, i frammenti varieranno di dimensioni da grandi a estremamente piccoli. Per il vetro rotto di una pensilina dell'autobus, la storia è diversa:tutti i frammenti hanno all'incirca le stesse dimensioni. Ricercatori dell'Università di Amsterdam, Unilever Vlaardingen e l'EPFL Losanna hanno studiato il fenomeno della rottura, e ha scoperto che due processi molto diversi causano i due tipi di frammenti. I risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura questa settimana.

L'eccezione alla regola

L'osservazione che ci sono frammenti di tutte le dimensioni, risulta valido per tutti i tipi di processi di rottura e frammentazione tipici. Però, ci sono eccezioni:pensate alle pensiline rotte, dove tutti i frammenti di vetro hanno più o meno le stesse dimensioni. Questa differenza non è una coincidenza:si rivela essere un pezzo importante del puzzle che porta a una spiegazione del modo in cui gli oggetti normali si rompono in pezzi.

Stefan Kooij, Gerard van Dalen, Jean-François Molinari e Daniel Bonn hanno indagato sul processo di frammentazione, e scoprì che esistono due modi molto diversi di rompere. Il comportamento speciale del vetro nelle pensiline degli autobus deriva dal fatto che quel vetro è stato trattato in modo speciale, che fa sì che il vetro abbia sollecitazioni interne. Tali sollecitazioni alla fine portano alla somiglianza dei frammenti.

Per studiare il processo che avviene nel vetro della pensilina, i ricercatori hanno studiato un tipo simile di vetro:la "goccia del principe Rupert", noto anche come "lacrima olandese". Queste goccioline di vetro, vedi l'immagine sopra a sinistra per un esempio, sono fatte gocciolando il vetro fuso in acqua fredda. Perché il vetro si solidifica prima all'esterno e solo successivamente all'interno, facendolo restringere un po', grandi sollecitazioni si sviluppano all'interno della goccia, paragonabili a quelli in vetro della pensilina. Su internet, si possono trovare molti video che mostrano le proprietà speciali delle gocce:possono sopportare di essere colpite con un martello, ma si frantumano in innumerevoli pezzi quando la "coda" della goccia viene pizzicata.

Gerarchico e casuale

Utilizzando diverse tecniche, incluso l'uso di scansioni TC per misurare quasi 22, 000 dimensioni dei frammenti di una goccia di Prince Rupert:i ricercatori hanno studiato i diversi processi di frammentazione. Confrontando la rottura delle gocce di Prince Rupert con la frammentazione di altri materiali, hanno potuto dedurre che esistono due tipi di processi di frammentazione, che chiamavano gerarchico e casuale.

Quando fai cadere un bicchiere normale sul pavimento, il processo che avviene è quello gerarchico. L'energia contenuta nel movimento del vetro è molto maggiore di quella necessaria per forzare una singola frattura. Per liberarsi di tutta l'energia cinetica, sempre più fratture si sviluppano all'interno del vetro. Il processo è gerarchico - va da crepe grandi a crepe sempre più piccole - e porta al fatto che alla fine, non c'è una dimensione caratteristica del frammento.

Di gran lunga la maggior parte delle situazioni in cui gli oggetti si rompono sono di questo tipo gerarchico. L'eccezione si verifica quando l'energia per rompere l'oggetto non proviene dall'esterno, ma è il risultato di sollecitazioni interne, come nel caso del vetro della pensilina dell'autobus e delle gocce di Prince Rupert. In tal caso, la formazione delle fratture non avviene da grandi a piccole, ma in modo del tutto casuale, dove la 'spaccatura' delle cricche dipende dalle sollecitazioni interne. Di conseguenza, i frammenti in questo caso hanno una dimensione specifica, determinato dall'entità della sollecitazione interna nel materiale.

Il fatto che esistano questi due tipi di frammentazione non è solo una curiosità interessante; i risultati della ricerca possono portare anche a utili applicazioni pratiche. Qui, si può pensare di sviluppare vetri di sicurezza migliori per i finestrini delle auto, ma anche della produzione di medicinali, in cui la dimensione della frammentazione gioca un ruolo importante nella velocità di assorbimento del medicinale da parte dell'organismo.