9 сентября 2026 г. Песах Бенсон и Омер Новосельски
Иерусалим, 9 сентября 2026 г. (TPS-IL) — Новое исследование израильских и международных ученых может в конечном итоге помочь инженерам определять, когда материалы начинают разрушаться, прежде чем видимая трещина внезапно разорвет их.
Исследователи обнаружили, что разрушения могут начинаться с крошечных поврежденных областей, которые медленно расширяются, прежде чем превратиться в быстрорастущую трещину. Это открытие может дать инженерам потенциальный способ выявлять развивающиеся отказы на ранней стадии. Тот же механизм может также пролить свет на то, как начинаются землетрясения, хотя обнаружение этих медленно движущихся предвестников остается серьезной проблемой.
В исследовании приняли участие Юваль Паз и профессор Джей Файнберг из Института физики Рака Еврейского университета в Иерусалиме, а также Мэн Ван из Пекинского технологического института и Мохтар Адда-Бедия из CNRS/ENS de Lyon.
Для человеческого глаза стекло или пластик могут казаться ломающимися мгновенно. Но большая часть процесса разрушения происходит до окончательного разрыва. При достаточном напряжении внутри материала образуется крошечная поврежденная область, которая, вместо того чтобы немедленно стать трещиной, медленно расширяется наружу.
«Наше исследование объединяет три отдельных вопроса, которые важны для людей, изучающих материалы, их стабильность и прочность», — сказал Файнберг The Press Service of Israel.
Ученые давно поняли, как ведут себя трещины, когда они начинают быстро двигаться, но объяснить, как начинается трещина, было сложнее. Исследование дает механистическое объяснение этой ранней стадии, которую ученые называют «ползучестью».
«Если подумать, это естественный способ образования дефекта в материале», — объяснил Файнберг TPS-IL.
Исследователи стремились понять, как небольшая трещина, изначально намного меньшая, чем сам материал, растет до тех пор, пока не пройдет сквозь него. Их эксперименты показали, что поврежденная область расширяется чрезвычайно медленно, со скоростью от микрон до миллиметров в секунду, и составляет не менее 75% всего процесса разрушения.
Критический переход происходит, когда поврежденная область достигает полной толщины материала.
«Патч, по сути, меняет свою «топологию», когда наконец проходит сквозь толщину материала», — сказал Файнберг.
Проще говоря, поврежденная область начинается как небольшой участок, расширяющийся по краям. Как только он полностью проходит сквозь материал, он становится обычной трещиной. В этот момент трещине требуется гораздо меньше энергии для дальнейшего роста, и она может быстро ускоряться.
От дефекта к разрушению
Исследователи также обнаружили, что разрушения могут начинаться при гораздо меньших размерах, чем предсказывает традиционная теория разрушения: примерно 0,1 миллиметра по сравнению с традиционным критическим размером, известным как длина Гриффитса, около 1 миллиметра.
Это открытие предполагает, что напряжение, действующее на материал, а также размер и геометрия существующего дефекта играют роль в определении того, когда начинается разрушение.
«Основная основа теории полностью универсальна и просто связана с геометрией дефектов или трещин», — сказал Файнберг TPS-IL. «Сила нашей теории заключается в ее простоте. Мы просто правильно учли влияние геометрии трещины».
Эти выводы также могут дать представление о землетрясениях, которые происходят, когда напряжения вдоль разломов преодолевают силы, удерживающие тектонические плиты на месте, вызывая внезапное смещение плит.
«Поскольку динамика землетрясений и процесс разрушения (математически) одинаковы, наши выводы предсказывают, как должны вести себя предвестники землетрясений», — сказал Файнберг TPS-IL.
Результаты исследователей предполагают, что разрыв землетрясения может аналогично начаться с медленно расширяющейся области, прежде чем внезапно ускориться. Файнберг сказал, что его команда ранее наблюдала подобный переход в исследованиях трения.
Результаты не означают, что ученые в настоящее время могут предсказывать землетрясения или точно определять, когда материал выйдет из строя. Основная проблема заключается в обнаружении этих медленно движущихся областей до катастрофического отказа.
«Поскольку они очень медленные, они не издают никакого «шума» во время расширения», — сказал Файнберг TPS-IL, что затрудняет их обнаружение с помощью звуковых или сейсмических сигналов.
Если исследователям в конечном итоге удастся разработать надежные способы обнаружения этих предвестников, результаты могут иметь практическое применение.
«Если нам это удастся, мы сможем продлить срок службы материалов или, в случае землетрясений, возможно, предоставить раннее предупреждение об их начале», — сказал Файнберг TPS-IL.
Исследование было опубликовано в рецензируемом журнале Physical Review Letters.
