Последние новости науки
 
Динамика сыпучих материалов - новое слово в физике. 

Сыпучие (или гранулированные) материалы, вроде песка или сахара, окружают человека повсюду - и в повседневной жизни, и в природе (геологические и тектонические процессы). Они широко применяются в технологии. Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время физики-теоретики не обращали внимания на динамику сыпучих веществ, считая их неким "приземленным" материалом, неинтересным с точки зрения теории. И как оказывается в последнее время, совершенно напрасно. 

ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: НЕОБЫЧНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА. 

Сыпучие материалы имеют некоторые свойства как твердых тел, так и жидкостей и газов, а в некоторых условиях ведут себя совершенно особым образом. 

Необычные свойства сыпучих материалов как твердых тел проявляются уже в состоянии покоя. Если на достаточно толстый слой материала (песка на пляже) положить груз, то он, конечно, вызовет напряжения и дополнительное давление в толще песка. Однако, как показали эксперименты нескольких групп, проведенные в 1995 году, величина этих напряжений очень быстро уменьшается с глубиной - по экспоненциальному закону. Кроме того, экспериментаторы четко видели, что области наибольших напряжений имеют ветвистую структуру. Другими словами, вес груза удерживается не всей площадью, а редкими узкими "столбами" напряжений. 

Другое похожее явление было отмечено еще 100 лет назад Янссеном: давление столба песка в высокой вертикальной трубе сначала растет с глубиной, а начиная с некоторого значения перестает от нее зависеть - все лишнее давление передается на стенки сосуда. На самом деле, именно благодаря этому явлению скорость хода песочных часов практически не зависит от того, сколько песка еще осталось. 

ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: НЕОБЫЧНЫЕ ЖИДКОСТИ. 

Гранулированные вещества ведут себя при определенных условиях и как жидкости. Всем известно, что если угол наклона песчаной горы станет достаточно крутым - образуется лавина, песок начинает стекать. То, что скорость течения зависит от угла наклона - неудивительно, это справедливо и для жидкости. Однако, было большим удивлением обнаружить, что течет всего лишь тонкий слой песка, толщиной 3-4 диаметра песчинки. На больших глубинах никакого движения не происходит вообще. 

Если сосуд с песком начать мелко трясти, то тем самым можно заставить песчинки двигаться, сталкиваться. Движение всего песка начинает походить при этом на движение жидкости. Такие эксперименты проводил еще Фарадей в 1831 году. Им были отмечены необычные локальные образования, иногда достаточно стабильные, которые появлялись на поверхности гранулированных материалов. Эти образования были изучены только в последние годы. Были обнаружены локализованные колебания - осциллоны - единичные всплески толщиной в 10-30 диаметров песчинок. Будучи необычайно стабильными, они не только не диссипируют и не разрушаются, а могут даже мигрировать вдоль поверхности, взаимодействуя друг с другом, образуя своего рода связанные состояния и даже кристаллы! 

Кроме таких хитрых поверхностных явлений, много занимательного происходит и в самой толще гранулированного материала, а именно - конвекция. В цилиндическом сосуде она происходит вполне определенным образом: в центре сосуда идет поток вверх, а по краям, вдоль стенок, в тонком слое - вниз. Интересно, что при такой конвекции уже не важна масса частиц в смеси разнородных гранулированных материалов, важен только размер частиц. Именно благодаря этому частицы гораздо большего размера всплывают на поверхность и больше не опускаются: они просто не могут последовать за тонким конвективным потоком вдоль стенок. Надо отметить, что характер конвективного движения сильно зависит от формы сосуда - в коническом сосуде, к примеру, конвективное движение будет как раз противоположным. 

Другое необычное явление в смеси разнородных гранулированных материалов - это саморазделение на фракции (сегрегация) при наличии температурного градиента в системе. Оказалось, что более крупные частицы стремятся собираться в самых холодных районах, максимально далеких от источника тепла. Если же поместить в такие условия смесь одинаковых по размеру, но разных по массе частиц, то в зависимости от конкретного положения источника тепла две фракции либо полностью разделяются, либо однородно перемешиваются. И то, и другое - очень важные процессы в промышленности. Безусловно, в скором времени то, что сейчас является передним краем науки, будет массово использоваться в индустрии. 

В последнее время обнаружилось много общего между поведением вибрирующей массы гранулированного материала и суспензиями - взвесями мелких твердых частиц в жидкости. Хотя на уровне отдельных частиц эти две системы ведут себя совершенно по-разному, их поведение в целом оказалось похожим. В частности, наблюдались такие же осциллоны с очень похожим поведением. Возможно, это говорит о том, что нелинейная динамика, т.е. характер математических законов, управляющих движением обоих систем, одинаков. 

ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: НЕОБЫЧНЫЕ ГАЗЫ. 

Наконец, при отсутствии силы тяжесли (что можно достичь, например, изучением двумерных горизонтальных образцов на гладкой подложке), гранулярные материалы ведут себя подобно газу. Однако, в отличие от атомных столкновений, соударения песчинок неупруги, поэтому без внешнего источника энергии движение такого газа прекратится. Это приводит к еще одному неожиданному явлению - так называемому "неупругому коллапсу". В таком "песчаном газе" происходит приблизительно следующее: если при каждом соударении теряется малая доля энергии, то весь газ остывает практически равномерно и остается почти однородным. Если же столкновения становятся сильно неупругими - то образуются "кластеры", области абсолютно застывших частиц, не двигающихся друг относительно друга. Интересно, что эти кластеры выглядят как тонкие длинные нити, вдоль которых и собираются все песчинки после большого числа столкновений. Не исключено, что это поведение имеет связь с крупномасштабной структурой нашей Вселенной (астрономические данные говорят о том, что основная доля скоплений галактик в наблюдаемой части Вселенной сконцентрирована как бы на поверхности огромных "пузырей", а вовсе не рассеяна в пространстве равномерно). Наконец, при большой концентрации песчинок эти кластеры могут образовывать упорядоченные структуры, наподобие кристалла. Так что здесь мы видим нечто похожее на самый настоящий фазовый переход. 

Самое забавное в этом деле - это то, что теоретики пока бессильны описать все открытые явления. Даже динамика таких простых объектов, как гранулированные материалы, становится очень сложной, когда речь идет о большом числе частиц. И хотя эксперименты (и может быть, открытия!) с гранулированными веществами могут делать и школьники, теоретики пока что пытаются обсчитывать одномерные модели, да и то с переменным успехом. Так что здесь еще предстоит большая работа для того, чтобы понять (и научиться использовать!) все процессы, происходящие с обыкновенным песком. 

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ: 

http://www.phy.duke.edu/~bob/ - страничка о поведении гранулированных материалов, о методах их изучения,  

http://www.aps.org/mar96/vpr/Q5.02.html - образование необычных узоров на поверхности вибрирующего гранулированного слоя,  

http://www.physics.georgetown.edu:80/~granular/collapse.html - страничка о коллапсе и кластеризации в двумерных гранулированных материалах,  

http://arnold.uchicago.edu/~jaeger/granular2/introduction.html - краткое введение в физику сыпучих материалов и их значение в промышленности,  

http://widget.ecn.purdue.edu/~wassgren/research/ - что такое гранулированные материалы, и зачем и как их изучают (содержит много впечатляющих иллюстраций),  

http://www.aip.org/physnews/graphics/html/oscillons.html - фотографии осциллонов в суспензии. 

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА: 

М.А.Гольдштик "Процессы переноса в зернистом слое", Новосибирск, 1984, 
Н.Б.Урьев "Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов", М., Химия, 1988, 
Н.Б.Урьев, А.А.Потанин "Текучесть суспензий и порошков", М., Химия 1992. 

 

[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение
 

 
vlad@ssl.nsu.ru