נקודת שבירה

כיצד משטח זכוכית, חומר פלסטי או שכבת בטון יישברו תחת לחץ? שאלה זו היא בעלת חשיבות כלכלית רבה, ומשליכה על תחומים רבים – החל בשלמותן של כנפי מטוסים ועד תכנון חומרים חזקים חדשים

כיצד משטח זכוכית, חומר פלסטי או שכבת בטון יישברו תחת לחץ? שאלה זו היא בעלת חשיבות כלכלית רבה, ומשליכה על תחומים רבים – החל בשלמותן של כנפי מטוסים ועד תכנון חומרים חזקים חדשים. למעשה, עקרונות התהליך הבסיסי הזה – היסדקות מהירה – נותרו עדיין בגדר תעלומה, בין היתר מפני שקשה מאוד לצפות בו: סדק מהיר יכול לחצות את החומר בקצב קרוב למהירות הקול, בעוד הכוחות שמניעים את הסדק מוגברים במידה יוצאת דופן, ומתרכזים בשטח זעיר בסמוך לקצה הנע שלו.

ד”ר ערן בוכבינדר, שהצטרף באחרונה למחלקה לפיסיקה כימית בפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, מתעניין בפיסיקה של חומרים מוצקים מחוץ לשיווי משקל. במילים אחרות, הוא חוקר את האופן שבו הם מתעוותים, מחליקים ונשברים תחת כוחות מכניים. במחקר משותף עם קבוצת המחקר של פרופ’ ג’יי פיינברג מהאוניברסיטה העברית בירושלים, שם ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי, פיתח ד”ר בוכבינדר תיאוריה חדשה, שעשויה להעניק למדענים ולמהנדסים כלי חדש לחקירת תהליך ההיסדקות.המחקר, שממצאיו פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Science, התבסס על פריצת דרך במעבדתו של פרופ’ פיינברג: ג’ל שנשבר כמו זכוכית, אבל במהירות איטית פי 500, ובעל איזור קצה גדול הרבה יותר מהרגיל – כלומר, קצה הסדק גדול ואיטי מספיק כך שאפשר יהיה לעקוב אחריו באמצעות מצלמה מהירה. כשהתחילו ד”ר אריאל ליבנה ואיליה סבטליצקי – חברי הצוות של פרופ’ פיינברג – למדוד את הדינמיקה של התקדמות הסדקים בג’ל, הם גילו שהמספרים אינם מתאימים לתיאוריה המקובלת. הסטייה אף הלכה וגדלה ככל שהמדידות התקרבו לקצה הסדק. המדענים הסיקו, כי התיאוריה הקיימת אכן מסבירה באופן טוב למדי את המתחולל הרחק מקצה הסדק, אבל אינה מתאימה לפיסיקה של האיזור הקרוב לנקודה שבה תהליך ההיסדקות מתחולל. ניסויים אלה איפשרו לבסס את ההבדלים בין הנתונים הניסיוניים לבין התיאוריה; בשלב זה נכנס לתמונה ד”ר בוכבינדר, במטרה למצוא הסבר לחוסר ההתאמה.

המתמטיקה של התיאוריה המקובלת להיסדקות דינמית מבוססת על קשר שניסח רוברט הוק במאה ה-17, אשר מתאר עיוות אלסטי (כלומר ללא שבירה) של חומר בתגובה לכוח חיצוני. הקשר שקבע הוק הוא ליניארי: החומר מתעקם ביחס ישר למידת הכוח המופעל עליו. מתברר, כי הקשר הליניארי הזה משתבש בסמוך לקצה הסדק, מה שהוביל את ד”ר בוכבינדר להבנה, כי התהליך הפיסיקלי העיקרי שמתחולל הוא דווקא אלסטיות בלתי-ליניארית. הפיתרון האנליטי שפיתח, ונבדק בניסוי אשר ביצע ד”ר ליבנה, מסביר את המדידות לכל אורך הסדק בפרטי פרטים, גם קרוב ביותר לקצה הסדק. בנוסף, הוא נותן מענה למספר תעלומות שנותרו חסרות הסבר בתיאוריה המקובלת, ובהן, בין היתר, מדוע היסדקות מהירה מאוד אינה מתפתחת בדרך כלל בקווים ישרים: לעיתים קרובות הסדק נעשה לא יציב, וכך נוצרת תבנית מסועפת או גלית.

התיאוריה החדשה של ד”ר בוכבינדר מגדירה סקאלת אורך חדשה באיזור קצה הסדק – שאינה קיימת בתיאוריה המקובלת – אשר עשויה להסביר את חוסר היציבויות הנצפות. היא גם מסבירה את הכיווניות של הכוחות העיקריים שפועלים על איזור קצה הסדק, באופן שמתקן ניבויים שנויים במחלוקת בתיאוריה הישנה. חשוב יותר, התיאוריה החדשה מראה שבכל חומר שנסדק קיים איזור מעבר אלסטי לא-ליניארי, אשר מגשר בין התהליכים הליניאריים הרחוקים יותר לבין תהליכי ההיסדקות הקרובים לקצה הסדק. יותר מ-300 שנה לאחר שנוסח חוק הוק, עומדת לרשות מדענים ומהנדסים גישה חדשה לפתרון תעלומות ההיסדקות הדינמית.

כיום, במכון ויצמן למדע, מתכנן ד”ר בוכבינדר, התיאורטיקאי, להמשיך את שיתוף הפעולה שלו עם קבוצות מחקר של מדענים ניסיונאים, במטרה לחקור תופעות רחוקות משיווי משקל במערכות אמיתיות. אלה כוללות פיתוח כלים מתמטיים להבנת תהליכים כמו עיוותים ואי-יציבויות במוצקים גבישיים ורב-גבישיים, עיוות פלסטי של מוצקים לא-מסודרים, והחלקה בתנאי חיכוך: תהליך שבו שני משטחים המצויים במגע נשברים תוך כדי תנועה. בנוסף, הוא מתכנן לחקור חומרים טבעיים עמידים בפני היווצרות סדקים, במטרה לחקות את הטבע ולתכנן חומרים מלאכותיים חזקים במיוחד.

אישי

ד”ר ערן בוכבינדר גדל בכפר סבא. כתלמיד בבית-הספר התיכון התעניין בפיסיקה ובספרות, ובלימודיו לתואר הראשון, באוניברסיטת תל אביב, התמקד בפיסיקה ובפילוסופיה. לאחר שנתיים שבהן עבד כפיסיקאי בתעשייה, הגיע למכון ויצמן למדע להמשיך את לימודיו בקבוצה של פרופ’ איתמר פרוקצ’יה מהמחלקה לפיסיקה כימית. הוא סיים את התואר השלישי בשנת 2007, ולאחר שנתיים של מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטה העברית הצטרף כחוקר בכיר למכון ויצמן למדע.

ד”ר בוכבינדר נשוי למיקי, סטודנטית לתואר שלישי במדעי המוח באוניברסיטת בר אילן, ולהם שני ילדים, יונתן, בן חמש, ושירה, בת שנתיים. למרות שמסלולו הוביל למדע, הוא עדיין מתלהב מספרות וקורא בכל רגע פנוי.