Гранулярная конвекция
Движение в зернистом материале
Нерешенная задача по физике :
Каково окончательное объяснение [1] того, почему происходит это явление?
(еще нерешенные проблемы по физике)
В порции ореховой смеси более крупные бразильские орехи часто оказываются на поверхности.
Демонстрация эффекта бразильского ореха с использованием стеклянной банки, чашки риса и стопки монет, выступающих в качестве нарушителя, изначально расположенного внизу.

Гранулярная конвекция — это явление, при котором гранулированный материал, подвергаемый встряхиванию или вибрации, будет демонстрировать модели циркуляции, похожие на типы жидкостной конвекции . [2] Иногда его называют эффектом бразильского ореха , [3] когда самые крупные частицы неправильной формы оказываются на поверхности гранулированного материала, содержащего смесь объектов разного размера. [4] Это название происходит от примера типичного контейнера со смешанными орехами , в котором самыми крупными будут бразильские орехи . Явление также известно как эффект мюсли , поскольку оно наблюдается в пакетиках с сухими завтраками, содержащих частицы разного размера , но одинаковой плотности , таких как смесь мюсли .

В экспериментальных условиях наблюдалась гранулярная конвекция частиц разного размера, образующая конвекционные ячейки, подобные движению жидкости. [5] [6]

Объяснение

Видео, демонстрирующее, как встряхивание пакета мюсли заставляет более крупные ингредиенты подниматься на поверхность

Может показаться нелогичным , что самые крупные и (предположительно) тяжелые частицы поднимаются наверх, но этому есть несколько объяснений:

  • Когда объекты имеют неправильную форму, случайное движение заставляет некоторые продолговатые предметы время от времени поворачиваться в вертикальной ориентации. Вертикальная ориентация позволяет меньшим предметам падать под более крупным предметом. [4] Если последующее движение заставляет более крупный предмет переориентироваться горизонтально, то он останется наверху смеси. [4]
  • Центр масс всей системы (содержащей смешанные орехи) в произвольном состоянии не является оптимально низким; он имеет тенденцию быть выше из-за того, что вокруг более крупных бразильских орехов больше пустого пространства, чем вокруг более мелких. [ необходима цитата ] Когда орехи встряхивают, система имеет тенденцию переходить в состояние с более низкой энергией, что означает перемещение центра масс вниз за счет перемещения более мелких орехов вниз и, следовательно, бразильских орехов вверх. [ необходима цитата ]
  • Включая эффекты воздуха в пространствах между частицами, более крупные частицы могут стать плавучими или тонуть. Более мелкие частицы могут падать в пространства под более крупной частицей после каждого встряхивания. Со временем более крупная частица поднимается в смеси. (По словам Генриха Йегера, «[это] объяснение разделения по размеру может работать в ситуациях, в которых нет гранулярной конвекции, например, для контейнеров с полностью лишенными трения боковыми стенками или глубоко под поверхностью высоких контейнеров (где конвекция сильно подавлена). С другой стороны, когда трение о боковые стенки или другие механизмы создают конвекционный роликовый рисунок внутри вибрирующего контейнера, мы обнаружили, что конвективное движение немедленно берет на себя роль доминирующего механизма разделения по размеру». [7] )
  • То же самое объяснение без аргументов о плавучести или центре масс: когда более крупная частица движется вверх, любое движение более мелких частиц в пространство под ней блокирует оседание более крупной частицы в ее прежнее положение. Повторяющееся движение приводит к тому, что больше более мелких частиц проскальзывают под более крупными частицами. Большая плотность более крупных частиц не оказывает никакого влияния на этот процесс. Встряхивание не обязательно; любой процесс, который поднимает частицы, а затем позволяет им осесть, имел бы такой эффект. Процесс подъема частиц придает системе потенциальную энергию. Результатом того, что все частицы оседают в другом порядке, может быть увеличение потенциальной энергии — подъем центра масс.
  • При встряхивании частицы движутся в конвекционном потоке, вызванном вибрацией; отдельные частицы движутся вверх через середину, по поверхности и вниз по сторонам. Если вовлечена крупная частица, она будет перемещена наверх конвекционным потоком. Оказавшись наверху, крупная частица останется там, потому что конвекционные потоки слишком узкие, чтобы снести ее вниз вдоль стенки.
  • Распределение размеров пор в случайной упаковке твердых сфер разных размеров приводит к тому, что меньшие сферы имеют большую вероятность двигаться вниз под действием гравитации, чем более крупные сферы. [8]

Это явление связано с парадоксом Паррондо , поскольку бразильские орехи перемещаются наверх смеси орехов против гравитационного градиента, когда подвергаются случайной тряске. [9]

Методы изучения

Гранулярная конвекция была исследована с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) [10] , где можно визуализировать конвекционные валики, подобные таковым в жидкостях ( ячейки Бенара ).

В других исследованиях использовались покадровые КТ-сканы , жидкости с подобранным показателем преломления и трассировка позитронной эмиссии . [4] На более низкотехнологичном конце шкалы исследователи также использовали тонкие прозрачные пластиковые коробки, так что движение некоторых объектов было видно напрямую. [4]

Эффект наблюдался даже у мельчайших частиц, движимых только броуновским движением без внешнего энергетического воздействия. [11]

Приложения

Производство

Изюм и отруби внутри коробки с хлопьями. Несколько изюминок видны поверх хлопьев
Это явление приводит к тому, что изюм имеет тенденцию подниматься наверх коробки с сухими завтраками , так что первые порции хлопьев содержат больше изюма, чем обычно, а на дне коробки остаются только хлопья.

Эффект представляет интерес для производства продуктов питания и аналогичных операций. [4] После получения однородной смеси гранулированных материалов обычно нежелательно, чтобы различные типы частиц разделялись. Несколько факторов определяют серьезность эффекта бразильского ореха, включая размеры и плотность частиц, давление любого газа между частицами и форму контейнера. Прямоугольная коробка (например, коробка с хлопьями для завтрака ) или цилиндр (например, банка орехов) хорошо подходят для усиления эффекта, [ требуется ссылка ] , в то время как контейнер с наклонными наружу стенками (например, в конической или сферической геометрии) приводит к тому, что известно как обратный эффект бразильского ореха . [12]

Астрономия

В астрономии это обычное явление для астероидов с низкой плотностью или грудой обломков , например, для астероидов 25143 Итокава [13] и 101955 Бенну [14] .

Геология

В геологии этот эффект распространен в бывших ледниковых районах, таких как Новая Англия , и районах вечной мерзлоты , где ландшафт сформирован в торосы морозным пучением — новые камни появляются на полях каждый год из более глубоких слоев земли. Гораций Грили отметил: «Сбор камней — это бесконечный труд на одной из тех ферм Новой Англии. Как бы тщательно вы ни подбирали, следующая вспашка выворачивает наизнанку валуны и гальку размером от ореха гикори до чайника». [15] Намек на причину появляется в его дальнейшем описании, что «эта работа в основном должна выполняться в марте или апреле, когда земля пропитана ледяной водой». Подземные воды замерзают, поднимая все частицы над собой. Когда вода начинает таять, более мелкие частицы могут оседать в открытых пространствах, в то время как более крупные частицы все еще поднимаются. К тому времени, когда лед больше не поддерживает более крупные камни, они, по крайней мере, частично поддерживаются более мелкими частицами, которые соскользнули под них. Повторные циклы замораживания-оттаивания в течение одного года ускоряют этот процесс.

Это явление является одной из причин обратной градации , которую можно наблюдать во многих ситуациях, включая разжижение почвы во время землетрясений или оползней . Разжижение — это общее явление, при котором смесь жидкости и зернистого материала, подвергающаяся вибрации, в конечном итоге приводит к моделям циркуляции, похожим как на конвекцию жидкости, так и на конвекцию гранул. Действительно, разжижение — это конвекция жидкости и гранул с моделями циркуляции, которые известны как песчаные кипения или песчаные вулканы в изучении разжижения почвы. [16] Гранулярная конвекция также иллюстрируется потоком мусора , который представляет собой быстро движущийся, разжиженный оползень из неконсолидированного, насыщенного мусора, который выглядит как текущий бетон. Эти потоки могут переносить материал размером от глины до валунов, включая древесный мусор, такой как бревна и пни деревьев. Потоки могут быть вызваны интенсивными осадками, таянием ледников или их комбинацией.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Арансон, Игорь С.; Цимринг, Лев С. (2006-06-01). "Закономерности и коллективное поведение в гранулярных средах: Теоретические концепции". Reviews of Modern Physics . 78 (2): 641– 692. arXiv : cond-mat/0507419 . Bibcode :2006RvMP...78..641A. doi :10.1103/RevModPhys.78.641. Тем не менее, несмотря на значительные усилия многих групп, теоретическое описание гранулярных систем по-прежнему в значительной степени представляет собой множество различных, часто противоречивых концепций и подходов.
  2. ^ Möbius, Matthias E.; Lauderdale, Benjamin E.; Nagel, Sidney R.; Jaeger, Heinrich M. (2001). «Разделение гранулированных частиц по размеру». Nature . 414 (6861): 270. doi :10.1038/35104697. PMID  11713519.
  3. ^ Розато, А.; Стрэндбург, К. Дж.; Принц, Ф.; Свендсен, Р. Х. (1987). «Почему бразильские орехи на вершине». Physical Review Letters . 58 (10): 1038– 41. doi :10.1103/physrevlett.58.1038. PMID  10034316.
  4. ^ abcdef Гаджар, Пармеш; Джонсон, Крис Г.; Карр, Джеймс; Криспилс, Кевин; Грей, Дж. М. Н. Т.; Уизерс, Филип Дж. (2021-04-19). «Разделение по размеру нерегулярных гранулярных материалов, полученное с помощью трехмерной визуализации с временным разрешением». Scientific Reports . 11 (1): 8352. doi :10.1038/s41598-021-87280-1. ISSN  2045-2322. PMC 8055975 . PMID  33875682. 
  5. ^ Риц, Франк; Станнариус, Ральф (2008). «На грани застревания: Гранулярная конвекция в плотно заполненных контейнерах». Physical Review Letters . 100 (7): 078002. arXiv : 1706.04978 . Bibcode : 2008PhRvL.100g8002R. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.078002. PMID  18352597. S2CID  28054132.
  6. ^ Загадочные закономерности формируются в научной песочнице, Wired, Брэндон Кейм, 28 октября 2009 г.
  7. ^ "Сидней Нагель и Генрих Йегер, вопросы и ответы". Pbs.org . Получено 27.09.2010 .
  8. ^ W.Soppe, Компьютерное моделирование случайных упаковок твердых сфер, Powder Technology, том 62, выпуск 2, август 1990 г., страницы 189-197, https://doi.org/10.1016/0032-5910(90)80083-B
  9. ^ Эбботт, Дерек (2009). «Развитие парадокса Паррондо». Приложения нелинейной динамики . Springer. стр.  307–321 . ISBN 978-3-540-85631-3.
  10. ^ Ehrichs, EE; Jaeger, HM; Karczmar, GS; Knight, JB; Kuperman, V. Yu.; Nagel, SR (1995). "Гранулированная конвекция, наблюдаемая с помощью магнитно-резонансной томографии". Science . 267 (5204): 1632– 4. Bibcode :1995Sci...267.1632E. doi :10.1126/science.267.5204.1632. PMID  17808181. S2CID  29865605.
  11. ^ Варшавский университет. «Бросая вызов гравитации с помощью эффекта бразильского ореха». phys.org . Получено 21.04.2023 .
  12. ^ Найт, Джеймс Б.; Джегер, Х. М.; Нагель, Сидней Р. (1993-06-14). «Вызванное вибрацией разделение по размеру в гранулированных средах: связь с конвекцией». Physical Review Letters . 70 (24): 3728– 3731. Bibcode : 1993PhRvL..70.3728K. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3728. ISSN  0031-9007. PMID  10053947.
  13. ^ Nemiroff, R.; Bonnell, J., ред. (22 апреля 2007 г.). «Плавные сечения астероида Итокава». Астрономическая картинка дня . NASA .
  14. ^ Райт, Эстебан; Куиллен, Элис С.; Саут, Джулиана; Нельсон, Рэндал С.; Санчес, Пол; Сиу, Джон; Аскари, Хесам; Накадзима, Мики; Шварц, Стивен Р. (2020). «Рикошеты на астероидах: экспериментальное исследование низкоскоростных скользящих ударов в гранулярную среду». Icarus . 351 : 113963. arXiv : 2002.01468 . Bibcode :2020Icar..35113963W. doi :10.1016/j.icarus.2020.113963. PMC 7571586 . PMID  33087944. S2CID  219965690. 
  15. ^ отрывок из «Воспоминаний о насыщенной жизни», архив 2012-09-10 на archive.today , автор Хорас Грили, 1869
  16. ^ Taslimian, Rohollah (2024). «Моделирование динамического сжижения на основе турбулентной жидкости с использованием анализа больших деформаций твердой фазы». Американский журнал инженерных и прикладных наук . 17 (2): 51– 55. ISSN  1941-7039.
  • Бусины в коробке на YouTube
  • Влияние бразильского ореха на PhysicsWeb
  • Yan, X.; Q. Shi; M. Hou; K. Lu; CK Chan (2003-07-03). "Влияние воздуха на сегрегацию частиц в встряхиваемом зернистом слое". Physical Review Letters . 91 (1): 014302. Bibcode : 2003PhRvL..91a4302Y. doi : 10.1103/PhysRevLett.91.014302. PMID  12906541.
  • Эффект бразильского ореха: численное моделирование Пример численного моделирования эффекта бразильского ореха.
  • «Почему бразильцы всегда оказываются на вершине», BBC News , 15 ноября 2001 г.
  • «Почему встряхивание банки с кофе заставляет более крупные зерна подниматься на поверхность?», Scientific American , 9 мая 2005 г.
  • «О подушках безопасности, спасательных швартовах и лавинной безопасности», Toronto Star , 13 января 2008 г.
  • Боули, Роджер (2009). «Γ – Отношение ускорения к силе тяжести (и эффект бразильского ореха)». Шестьдесят символов . Брэди Харан для Ноттингемского университета .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Granular_convection&oldid=1271778574"