به گزارش گروه دانش خبرگزاری دانا (دانا خبر) و به نقل از تارنمای انجمن فیزیک ایران، شکافته‌شدن سنگ و صخره می‌تواند باعث ویرانی یک پل٬ تخته‌سنگ‌ها و اگر در طول یک زمین‌لرزه در اعماق زیاد رخ دهد٬ حتی ممکن است باعث تخریب یک شهر شود. بسیاری از سنگ‌ها از اجتماع ناهمگون دانه‌های ریز و به‌هم پیوسته تشکیل شده‌اند که شکاف‌ها و منافذ کوچکی بین آن‌ها قرار دارد. این دانه‌ها ممکن است از اندازه‌های گوناگون با چسبندگی‌های متنوع تشکیل شده باشند٬ از این‌رو توصیف ویژگی‌های مکانیکی آن‌ها با مدل‌های نظری کاری بس دشوار به نظر می‌رسد؛ مدل‌هایی که در عین ساده بودن به قدر کافی واقعی باشند تا بتوان آن‌ها را در جهان واقعی بکار برد. به عنوان مثال مدل‌هایی بر اساس شبکه‌ای از فنرها یا میله های صلب وجود دارند که برای مقایسه با آزمایش‌ها می‌توان آن‌ها را بسیار ساده و ایده‌آل دانست.
برای غلبه بر چنان محدودیت‌هایی فرنس کان (Ferenc Kun) از دانشگاه دبرسن (Debrecen) در مجارستان و همکارانش یک ماده جامد متخلخل مجازی را ساخته‌اند که بسیار شبیه به سنگ‌های رسوبی واقعی ایجاد می‌شود: به کره‌های کوچک‌مقیاس با اندازه‌های مختلف اجازه داده می‌شود تا در لایه‌ای قرار گرفته و به هم‌دیگر بچسبند. در این فرآیندِ چسبید‌گی٬ این ذرات به واسطه شبکه‌ای از «میله ها» به‌هم‌دیگر متصل می‌شوند؛ درست شبیه ماده‌ای که بین دانه‌ها در موادی همچون سنگ‌ماسه‌ها تشکیل می‌شوند. به گفته کان٬ برخلاف ماده‌ای که در بسیاری از مدل‌های پیشین استفاده می‌شده٬ «ماده‌ای که ما به کار برده‌ایم سه‌بعدی است و مستقیماً بر اساس ساختار کوچک‌مقیاس مشاهده شده در سنگ‌ماسه‌های واقعی طراحی شده است».
پس از آن پژوهشگران فرآیند شکستن این سنگ (که شامل ۲۰۰۰۰ ذره است) را شبیه‌سازی کرده‌اند: لایه بالایی از ذرات را به آرامی به سمت پایین حرکت داده و لایه‌ها را تا مرز شکستن به هم دیگر فشرده‌اند. در طول این فشرده‌سازی٬ دریافتند که شکاف‌ها در طول ماده (طی آبشاری از بهمن‌ها که بین گسیختگی‌های چنین میله هایی رخ می‌دهد) گسترده می‌شوند. قبل از آن‌که تمامی یک ستون از ذراتِ به هم چسبیده به شکل فاجعه‌بار از هم شکسته شود٬ در مجموع بیش از ۲۰۰۰ «انفجار» در فواصل نامنظم وجود داشته است. این انفجارها با بازه‌های خاموش و غیرفعال از هم جدا می‌شوند و این همان زمانی است که هیچ میله ای شکسته نمی‌شود.
این محققان نتایج شبیه‌سازی‌های خود را با اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم بر روی شکافتگی‌های کوچک‌مقیاس (که از سیگنال‌های صوتی بدست می‌آید) مقایسه کرده‌اند. این سیگنال‌ها به واسطه تَرَک‌های کوچک‌مقیاس در ماده تحتِ تنش تولید می‌شود. در یک مطالعه قبلی کان و همکارانش چنان مشاهداتی را با مدل ساده‌تری نتیجه گرفته‌اند؛ مدلی که در آن «زنجیره‌ای» از دانه‌های در تماس باهم‌دیگر به عنوان فیبرهای پیوسته تقریب زده شده‌اند.
پژوهشگران شکستگی ناشی از تنشِ یک ماده شبیه سنگ‌ماسه را شبیه‌سازی کرده‌اند. ذرات قبل از شکستن ماده به جای اولیه‌شان بازگردانده شده‌اند و ذرات به رنگ زرد در مناطقی هستند که (در طول شکافتگی) از ماده اصلی (به رنگ قرمز) جدا شده‌اند (بالا سمت چپ). با حذف ذرات زرد٬ شکافتگی اصلی برملا می‌شود (بالا قسمت راست). این تیم به مجموعه‌ای از ذرات که از گستره‌ای از اندازه‌ها تشکیل شده و بواسطه «میله ها» که نشان دهنده چسبندگی به نزدیک‌ترین همسایه‌های آن‌ها است (پائین) اجازه داده‌اند تا در کنار هم قرار گرفته و ماده مورد نظر را تشکیل دهند.
با این مدل واقعی‌تر و جدیدتر٬ کان و همکارانش مقایسه جزیی‌تری را با داده‌های صوتی به عمل آورده‌اند که نتایج آن را در مجله فیزیکال ریویو لترز و با جزئیات بیشتر در مجله فیزیکال ریویوی E توصیف کرده‌اند. درست مثلِ شکافتگیِ شبیه‌سازی شده٬ داده‌های صوتی شامل مجموعه‌ای از انفجارهای کوتاه است. پژوهشگران اندازه یک انفجار را بر حسب احتمال انفجارِ آن اندازه ویژه رسم کرده و به یک منحنی دست یافته‌اند که شیب آن به سمت راست در حال کاهش است: یعنی انفجارهای بزرگ نادرترین انفجارها هستند. بر روی محور لگاریتمی٬ این نمودار یک خط مستقیم تولید می‌کند و نشان می‌دهد که اندازه انفجار و احتمال وقوع آن٬ با قانون موسوم به قانون توان به هم مربوط می‌شوند. این قانون بیان می‌کند که احتمال وقوع انفجار به شکل نمایی و افزاینده به اندازه وابسته است. پژوهشگران دریافتند که شبیه‌سازی‌های آنان با داده‌های صوتی توافق دارد؛ هم در مورد مقدار میانگین توان و هم درمورد روشی که در آن توان کاهش می‌یابد که نشان از نزدیک شدن به شکست فاجعه‌بار است.
به گفته میکو آلاوا (Mikko Alava) از دانشگاه آلتو در فنلاند: «تا جایی که می‌دانم٬ این اولین مدلی است که واقعی جلوه می‌کند و ساختار کوچک‌مقیاس آن به طریقی شبیه آن‌چه که در آزمایش‌ها اتفاق می‌افتد تحول می‌یابد» «در نتیجه٬ نوفه‌های شبیه‌سازی‌شده از این شکستگی٬ ویژگی‌های فراوانی دارد که بسیاری از مدل‌های ساده از آن برخوردار نیستند» وی می‌افزاید: این مدل توانایی آن را دارد تا این ویژگی را برملا سازد که: «تحولات شبکه حاملِ نیروی داخلی٬ گام مهم و روبه‌جلویی است».
ماده‌ای که در حالت شکستن قرار دارد برخی تغییرات را در خواص مکانیکی خود نشان می‌دهد٬ همانند انحراف از قاعده معمول٬ که در آن یک جامد به شکل مستقیم متناسب با نیروی اعمالی بر آن تغییر شکل می‌دهد. اما به بیان این تیم٬ سرعت‌بخشیدن به شکستگی می تواند زودتر از این آغاز شود. بر اساس مدل آن‌ها قبل از آن‌که اندازه‌گیری‌های بزرگ‌مقیاس چیز غیرمعمولی را نشان دهند٬ صدمه به ماده موردنظر می‌تواند وارد شود. به گفته کان: «شبیه‌سازی‌های ما از چنان جزئیات کوچک‌مقیاس این فرآیند تخریب پرده برمی‌دارد که به آسانی با وسایل و ابزارهای آزمایشگاهی قابل دسترسی نیست.»
