Il crack può essere supersonico? La frattura che innesca una valanga può propagarsi a una velocità superiore a quella limite prevista dalla teoria classica? La questione fa discutere la comunità scientifica. È qui che si colloca l’ultima ricerca di Nicola Pugno, professore ordinario di Scienza delle Costruzioni al Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell’Università di Trento.
Nicola Pugno propone un nuovo approccio teorico per ricavare la velocità limite di crack valanghivi. Che contribuisce a chiarire un dilemma sulle fratture.
Infatti, secondo alcuni studi numerici e sperimentali, il crack potrebbe propagarsi in modo supersonico, altri lavori propongono invece un'interpretazione diversa. Il problema nasce dal fatto che il manto nevoso viene spesso assimilato a un materiale omogeneo, per cui la velocità limite di riferimento è ben identificabile, mentre in realtà è costituito da strati con proprietà meccaniche differenti. Quali sono allora i fattori che limitano la velocità di propagazione del crack in un materiale multistrato?
«I risultati analitici mostrano una chiara transizione tra un regime dominato dallo strato di neve che si distacca e uno dominato dallo strato debole o la sua interfaccia in cui la fessura si propaga. In presenza di uno strato debole o di una sua interfaccia più rigide, il crack può sentire una rigidezza locale maggiore di quella globale, e apparentemente viaggiare a velocità globalmente supersonica pur rimanendo localmente subsonico. Ciò riconcilia almeno parzialmente le interpretazioni diverse presenti in letteratura per le valanghe e si basa su una lunghezza energetica caratteristica precedentemente introdotta in letteratura per spiegare i due regimi che erano già emersi numericamente», spiega Pugno. I risultati del suo studio sono stati pubblicati come Matter of Opinion (che è una breve lettera scritta da un esperto del settore anche su sfide di ricerca correnti) in Matter, rivista internazionale del gruppo Cell, con il titolo “Sub-Rayleigh or supershear crack propagation in snow avalanches?” (doi: 10.1016/j.matt.2026.102957).
«Il mio approccio rappresenta un breve contributo analitico, basato su un lavoro numerico pionieristico di colleghi meccanici, che spero possa contribuire a gettare maggior luce su una questione non banale e che certo richiede ancora approfondimenti teorici, numerici e sperimentali. In sostanza la nuova teoria dovrebbe consentire di meglio capire se e quando una valanga ha le condizioni, per esempio per tipo di strati e massa, per poter propagare un crack supersonico o meno», commenta Nicola Pugno.
Ma perché è utile sapere se il crack corre a una velocità supersonica? «Un rilascio di energia particolarmente rapido può essere ancora più catastrofico, e andrebbe considerato anche nel progetto delle strutture che la massa di neve può impattare, come paravalanghe e edifici a rischio», afferma Pugno.
Il contributo di Pugno ha rilevanza, in prospettiva, anche per migliorare la capacità di prevedere con sempre maggiore precisione possibili valanghe, il loro fronte e le diverse caratteristiche. «Le incertezze nelle leggi costitutive della neve, che non sono peraltro elastiche lineari, unite alla natura multistrato del manto nevoso, hanno imposto questo approccio e richiedono lo sviluppo di ulteriori quadri teorici, numerici e sperimentali».
Lo studio si svolge nell’ambito del progetto Erc Advanced Grant “Frameglow” (Advanced Quantized Fracture Mechanics Models of Ice and Snow for Global Warming Risk Mitigation) che parte dalla teoria formulata da Pugno (Quantized Fracture Mechanics) per arrivare a una teoria completa e capire come il riscaldamento globale riduca la resistenza di ghiacci e nevi e quindi come mitigarne i rischi associati alle relative valanghe, a difesa della vita delle persone.
Nicola Pugno of the University of Trento proposes a new analytical approach to determine the limiting velocity of a fracture that triggers an avalanche. Published in Matter, the findings help clarify a debate on avalanche crack propagation
Can a crack be supersonic? Can the fracture that triggers an avalanche propagate faster than the limiting velocity predicted by classical fracture mechanics? The question remains the subject of debate within the scientific community. While some numerical and experimental studies suggest that avalanche cracks may propagate at supersonic speeds, others offer a different interpretation. The issue stems from the fact that the snowpack is often treated as a homogeneous material, for which the reference limiting velocity is well defined. In reality, however, it consists of multiple layers with different mechanical properties. What, then, are the factors that limit crack propagation velocity in such a multilayered material? This is the question addressed by the latest research of Nicola Pugno, Full Professor of Solids and Structural Mechanics in the Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering at the University of Trento.
His study proposes a new theoretical approach to determine the limiting velocity of avalanche cracks.
"The analytical results reveal a clear transition between a regime governed by the snow slab that detaches and another governed by the weak layer, or its interface, along which the fracture propagates. In the presence of a stiffer weak layer or interface, the crack may 'feel' a local stiffness greater than the global one, and therefore appear to propagate at a globally supersonic speed while remaining locally subsonic. This finding at least partially reconciles the different interpretations reported in the avalanche literature and is based on a characteristic energy length previously introduced to explain the two propagation regimes that had already emerged from numerical studies," explains Pugno.
The results have been published as a Matter of Opinion - a short article written by experts also on current research challenges - in Matter, the international journal of the Cell Press group, under the title Sub-Rayleigh or supershear crack propagation in snow avalanches?
"My approach represents a brief analytical contribution, building on pioneering numerical work by fellow mechanicians. I hope it will help shed further light on a complex issue that certainly requires additional theoretical, numerical and experimental investigation. In essence, the new theory should make it possible to better understand whether, and under what conditions - for example depending on the snow layering and mass - an avalanche is capable of sustaining supersonic crack propagation," comments Nicola Pugno.
Why is it important to know whether a crack propagates at supersonic speed?
"A particularly rapid release of energy can be even more catastrophic, and this should also be taken into account when designing structures that may be impacted by the snow mass, such as avalanche barriers and exposed buildings," says Pugno.
In the longer term, Pugno's contribution may also improve our ability to predict avalanches more accurately, including their propagation front and other key characteristics.
"The uncertainties in the constitutive laws of snow - which, moreover, is not a linearly elastic material - combined with the multilayered nature of the snowpack, motivated this approach and call for the development of further theoretical, numerical and experimental frameworks."
The research was carried out within the framework of the ERC Advanced Grant FRAMEGLOW (Advanced Quantized Fracture Mechanics Models of Ice and Snow for Global Warming Risk Mitigation). Building on the Quantized Fracture Mechanics theory developed by Pugno, the project aims to establish a comprehensive theoretical framework to understand how global warming reduces the mechanical strength of ice and snow and, consequently, how to mitigate the risks associated with avalanches in order to help protect human life.