În condițiile potrivite, nisipul poate curge. Atunci când boabele mai grele sunt plasate deasupra boabelor mai ușoare într-un recipient, boabele mai puțin dense pot burbui în sus ca bulburi ale unei lămpi de lavă, arată un studiu.
Cercetarea este prima care arată cum amestecarea granulelor de nisip poate imita modul în care fluidele curg. Dar chiar și atunci când particulele granulare, cum ar fi nisipul sau noroiul, se comportă ca niște fluide, forțele care stau la baza care controlează modul în care se mișcă boabele sunt diferite, raportează cercetătorii online pe 22 aprilie în Proceedings of the National Academy of Sciences.
Înțelegerea acestor forțe ar putea ajuta oamenii de știință să explice mai bine comportamentul alunecărilor de noroi sau al amestecurilor de gaz fierbinte și rocă numite fluxuri piroclastice de la vulcani. De asemenea, cercetarea ar putea ghida noi proiecte tehnologice pentru captarea carbonului din atmosferă sau producția de produse farmaceutice.
Oamenii de știință știau că nisipul sau alte particule solide se pot comporta ca lichide în anumite condiții. Vibrațiile puternice ale cutremurului, de exemplu, pot „lichefia” nisipul solid atunci când este saturat cu apă. Mai puțin înțeles este cum să amestecați materiale granulare – de la pulberi pentru medicamentele farmaceutice la margele care atrag dioxidul de carbon – în absența apei.
Titluri Știri științifice, în căsuța dvs. de e-mail
Titluri și rezumate ale celor mai recente articole Știri științifice, livrate în căsuța dvs. de e-mail în fiecare vineri.
multumim pentru inregistrare!
A apărut o problemă la înregistrarea dvs.
Când particulele uscate, granulare de diferite dimensiuni și densități se mișcă unele în jurul celeilalte, ele tind să se segregă, sau să se „demixeze”, spune Richard Lueptow, inginer mecanic la Universitatea Northwestern din Evanston, Illinois, neimplicat în noul studiu. „Acest lucru poate crea probleme uriașe în crearea de amestecuri uniforme de particule în industria farmaceutică, chimică și de prelucrare a alimentelor.”
Echipa de cercetare, condusă de inginerul mecanic Christopher McLaren de la ETH Zurich, a plasat două tipuri de particule rotunde într-o cameră subțire de sticlă: un strat de particule mai grele așezate deasupra unui strat de particule mai ușoare. Pentru a pune boabele în mișcare, echipa a vibrat camera și a trimis gaz în sus prin ea. Particulele „curgeau” unele în jurul celeilalte, precum lichidele de densități diferite, cu bule sau curenți de particule mai puțin dense urcând la suprafață.
În dinamica fluidelor, modelele formate în timp ce un fluid mai ușor își împinge drumul într-un fluid mai dens sunt descrise de un fenomen cunoscut sub numele de instabilitate Rayleigh-Taylor, cum ar fi burbulurile de ceară fierbinte care se ridică într-o lampă cu lavă. Noua cercetare demonstrează pentru prima dată că boabele uscate pot simula instabilitatea.
Această constatare a fost surprinzătoare, deoarece acest tip de instabilitate în fluide este legat de faptul că fluidele nu se pot amesteca. Nu este cazul cerealelor solide, care sunt capabile să se amestece complet – și totuși nu au făcut-o.
„Ne-am dat seama că există un domeniu complet diferit al mecanismelor fizice la care ar trebui să ajungem la fund”, spune coautorul studiului Christopher Boyce, inginer chimist la Universitatea Columbia.
Simulările pe computer ale amestecării boabelor au arătat că fluxul de gaz, precum și vibrațiile controlau modul în care se mișcă boabele. Când gazul a trecut prin cameră, acesta s-a canalizat diferit între boabele de diferite dimensiuni și densități, creând o tracțiune în sus care a ajutat la menținerea particulelor mai ușoare aglomerate. Acest lucru a împiedicat amestecarea particulelor, simulând modul în care fluidele nemiscibile, cum ar fi uleiul și apa, s-ar putea comporta. Modificarea vitezei de curgere a gazului sau a intensității vibrației a produs diferite forme, cum ar fi degete mai mari de particule sau stropi mai mari care se ridică prin cameră, a descoperit echipa. Atât gazul, cât și vibrația au fost necesare pentru ca boabele să imite modele de instabilitate a fluidelor.
De la astronomie la zoologie
Abonați-vă la Știri Științe pentru a vă satisface apetitul omnivor pentru cunoașterea universală.
Când cercetătorii au plasat o bucată de particule grele într-un strat de particule mai ușoare, a apărut un model diferit. Boabele s-au comportat mai mult ca fluide care se pot amesteca – cum ar fi colorantul roșu în apă. Particulele grele s-au împărțit în două bucăți care au căzut prin stratul de particule mai ușoare la un unghi înainte de a se despica din nou și din nou, într-un model de ramificare. Acest model a rezultat și din canalizarea gazului prin boabe, au descoperit cercetătorii.
Studiile anterioare folosind doar vibrații au observat că particulele de diferite dimensiuni se mișcă unele în jurul celeilalte în moduri fluide, astfel încât cele mai mari particule ajung deasupra, spune Paul Umbanhowar, un inginer mecanic și de la Universitatea Northwestern, care nu este implicat în noua lucrare.
Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de „efectul de nucă braziliană”. Se crede că este rezultatul particulelor mai mici care alunecă în jos între cele mai mari în timpul scuturării și lăsând boabele mai mari deasupra, cum ar fi nucile braziliene într-o cutie de nuci amestecate (SN: 10/4/14, str. 4). Dar prin încorporarea fluxului de gaz, studiul dă rezultate care „amintesc mult mai mult de comportamentul fluidelor normale”, spune Umbanhowar.