Гранулярная конвекция
Зернистая конвекция — это явление, при котором зернистый материал, подвергающийся встряхиванию или вибрации, демонстрирует характер циркуляции, аналогичный типам конвекции жидкости . [1] Иногда его называют эффектом бразильского ореха . [2] когда самые крупные частицы неправильной формы оказываются на поверхности зернистого материала, содержащего смесь объектов разного размера. [3] Это название происходит от примера типичного контейнера со смесью орехов , в котором самыми крупными являются бразильские орехи . Это явление также известно как эффект мюсли, поскольку оно наблюдается в пакетах хлопьев для завтрака, содержащих частицы разного размера , но одинаковой плотности , например в смеси мюсли .
В условиях эксперимента наблюдалась зернистая конвекция частиц различного размера, образующих конвекционные ячейки, аналогичные движению жидкости. [4] [5]
Объяснение
[ редактировать ]Может показаться нелогичным обнаружить, что самые большие и (предположительно) самые тяжелые частицы поднимаются наверх, но возможно несколько объяснений:
- Когда объекты имеют неправильную форму, случайное движение приводит к тому, что некоторые продолговатые предметы иногда поворачиваются в вертикальной ориентации. Вертикальная ориентация позволяет более мелким предметам располагаться под более крупными предметами. [3] Если последующее движение приведет к изменению горизонтальной ориентации более крупного предмета, то он останется наверху смеси. [3]
- 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. [ нужна ссылка ] Когда орехи встряхиваются, система имеет тенденцию переходить в более низкое энергетическое состояние, что означает перемещение центра масс вниз за счет перемещения меньших орехов вниз и, следовательно, бразильских орехов вверх. [ нужна ссылка ]
- С учетом воздействия воздуха в пространствах между частицами более крупные частицы могут стать плавучими или утонуть. После каждого встряхивания более мелкие частицы могут попасть в пространство под более крупной частицей. Со временем более крупная частица поднимается в смеси. (По словам Генриха Йегера , «[это] объяснение разделения по размерам может работать в ситуациях, когда нет зернистой 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 структуру конвекционного вращения внутри вибрирующего контейнера, мы обнаружили, что конвективное движение немедленно становится доминирующим механизмом разделения по размерам». [6] )
- То же объяснение без аргументов плавучести или центра масс: когда более крупная частица движется вверх, любое движение более мелких частиц в пространство под ней не позволяет более крупной частице вернуться в свое предыдущее положение. Повторяющееся движение приводит к тому, что большее количество более мелких частиц скользит под более крупные частицы. Большая плотность более крупных частиц не влияет на этот процесс. Встряхивать не обязательно; любой процесс, который поднимает частицы, а затем позволяет им осесть, будет иметь такой эффект. Процесс подъема частиц передает системе потенциальную энергию. Результатом расположения всех частиц в разном порядке может быть увеличение потенциальной энергии — поднятие центра масс.
- При встряхивании частицы движутся в конвекционном потоке, вызванном вибрацией; отдельные частицы движутся вверх через середину, по поверхности и вниз по бокам. Если речь идет о крупной частице, она будет перемещена вверх за счет конвекционного потока. Оказавшись наверху, крупная частица останется там, потому что конвекционные потоки слишком узки, чтобы снести ее вниз вдоль стены.
- Распределение размеров пор в случайной упаковке твердых сфер разного размера приводит к тому, что сферы меньшего размера имеют большую вероятность двигаться вниз под действием гравитации, чем сферы большего размера. [7]
Это явление связано с парадоксом Паррондо , поскольку бразильские орехи перемещаются наверх смешанных орехов против гравитационного градиента, когда подвергаются случайному встряхиванию. [8]
Методы исследования
[ редактировать ]Гранулярную конвекцию исследовали с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ). [9] где конвекционные рулоны, подобные тем, что наблюдаются в жидкостях ( ячейки Бенара можно визуализировать ).
В других исследованиях использовались покадровые компьютерные томографии , жидкости с подобранным показателем преломления и отслеживание эмиссии позитронов . [3] На более низкотехнологичном уровне исследователи также использовали тонкие прозрачные пластиковые коробки, чтобы движение некоторых объектов было видно напрямую. [3]
Эффект наблюдался даже у крошечных частиц, движимых только броуновским движением без подвода внешней энергии. [10]
Приложения
[ редактировать ]Производство
[ редактировать ]
Эффект представляет интерес для пищевой промышленности и аналогичных операций. [3] После того как получена однородная смесь гранулированных материалов, обычно нежелательно, чтобы различные типы частиц разделялись. Серьезность эффекта бразильского ореха определяется несколькими факторами, 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 с орехами) хорошо подходят для усиления эффекта. [ нужна ссылка ] в то время как контейнер с наклонными наружу стенками (например, конической или сферической формы) приводит к так называемому обратному эффекту бразильского ореха . [11]
Астрономия
[ редактировать ]В астрономии с низкой плотностью или грудах обломков это часто встречается на астероидах , например на астероиде 25143 Итокава. [12] и 101955 Бенну . [13]
Геология
[ редактировать ]В геологии этот эффект распространен в ранее покрытых льдом районах, таких как Новая Англия , и в районах вечной мерзлоты , где ландшафт превращается в кочки из-за морозного пучения — каждый год на полях из более глубоких подземелий появляются новые камни. Гораций Грили отмечал: «Сбор камней — это бесконечный труд на одной из ферм Новой Англии. Подбирайте как можно тщательнее, и следующая вспашка приведет к новому извержению валунов и гальки размером от ореха гикори до размера чайник». [14] Намек на причину появляется в его дальнейшем описании, что «эту работу предстоит производить главным образом в марте или апреле, когда земля пропитается ледяной водой». Подземная вода замерзает, 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 проскользнули под них. Повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания в течение одного года ускоряют этот процесс.
Это явление является одной из причин обратного градиента , который можно наблюдать во многих ситуациях, включая разжижение почвы во время землетрясений или оползней . Сжижение — это общее явление, при котором смесь жидкости и зернистого материала, подвергающаяся вибрации, в конечном итоге приводит к образованию циркуляционных схем, аналогичных как конвекции жидкости, так и конвекции гранул. известен как песчаные кипения или песчаные вулканы. Действительно, разжижение представляет собой жидко-зернистую конвекцию с характером циркуляции, который при изучении разжижения почвы [15] Примером зернистой конвекции также является селевой поток , который представляет собой быстро движущийся разжиженный оползень рыхлого, насыщенного мусора, который выглядит как жидкий бетон. Эти потоки могут переносить материалы разного размера — от глины до валунов, включая древесный мусор, такой как бревна и пни. Потоки могут быть вызваны интенсивными дождями, таянием ледников или их комбинацией.
См. также
[ редактировать ]- Эффект приветствия
- Эффект попкорна на высокочастотных виброгрохотах
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Мёбиус, Матиас Э.; Лодердейл, Бенджамин Э.; Нагель, Сидни Р.; Йегер, Генрих М. (2001). «Распределение сыпучих частиц по размерам» . Природа . 414 (6861): 270. дои : 10.1038/35104697 . ПМИД 11713519 .
- ^ Розато, А.; Страндбург, Кейджей; Принц, Ф.; Свендсен, Р.Х. (1987). «Почему бразильские орехи на вершине». Письма о физических отзывах . 58 (10): 1038–41. дои : 10.1103/physrevlett.58.1038 . ПМИД 10034316 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Гаджар, Пармеш; Джонсон, Крис Г.; Карр, Джеймс; Криспилс, Кевин; Грей, JMNT; Уизерс, Филип Дж. (19 апреля 2021 г.). «Разделение по размерам гранулированных материалов неправильной формы, полученное с помощью 3D-изображений с временным разрешением» . Научные отчеты . 11 (1): 8352. doi : 10.1038/s41598-021-87280-1 . ISSN 2045-2322 . ПМК 8055975 . ПМИД 33875682 .
- ^ Ритц, Фрэнк; Станнариус, Ральф (2008). «На грани застревания: гранулированная конвекция в плотно заполненных контейнерах». Письма о физических отзывах . 100 (7): 078002. arXiv : 1706.04978 . Бибкод : 2008PhRvL.100g8002R . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.078002 . ПМИД 18352597 . S2CID 28054132 .
- ^ Непонятные закономерности формируются в научной песочнице , Wired, Брэндон Кейм, 28 октября 2009 г.
- ^ «Сидни Нагель и Генрих Йегер: вопросы и ответы» . Pbs.org . Проверено 27 сентября 2010 г.
- ^ В.Соппе, Компьютерное моделирование случайной упаковки твердых сфер, Порошковая технология, Том 62, Выпуск 2, август 1990 г., страницы 189-197, https://doi.org/10.1016/0032-5910(90)80083-B
- ^ Эбботт, Дерек (2009). «Развитие парадокса Паррондо». Приложения нелинейной динамики . Спрингер. стр. 307–321. ISBN 978-3-540-85631-3 .
- ^ Эрихс, Э.Э.; Джагер, HM; Карчмар, Г.С.; Найт, Дж.Б.; Куперман В. Ю.; Нагель, СР (1995). «Зернистой конвекции, наблюдаемой с помощью магнитно-резонансной томографии». Наука . 267 (5204): 1632–4. Бибкод : 1995Sci...267.1632E . дои : 10.1126/science.267.5204.1632 . ПМИД 17808181 . S2CID 29865605 .
- ^ Варшавский университет. «Бросим вызов гравитации с помощью эффекта бразильского ореха» . физ.орг . Проверено 21 апреля 2023 г.
- ^ Найт, Джеймс Б.; Джагер, HM; Нагель, Сидни Р. (14 июня 1993 г.). «Разделение размеров в сыпучих средах, вызванное вибрацией: конвекционная связь». Письма о физических отзывах . 70 (24): 3728–3731. Бибкод : 1993PhRvL..70.3728K . doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3728 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10053947 .
- ^ Немиров Р.; Боннелл, Дж., ред. (22 апреля 2007 г.). «Гладкие участки астероида Итокава» . Астрономическая картина дня . НАСА .
- ^ Райт, Эстебан; Куиллен, Элис К.; Юг, Джулиана; Нельсон, Рэндал К.; Санчес, Пол; Сиу, Джон; Аскари, Хесам; Накадзима, Мики; Шварц, Стивен Р. (2020). «Рикошеты на астероидах: экспериментальное исследование воздействия низкой скорости на сыпучую среду» . Икар . 351 : 113963. arXiv : 2002.01468 . Бибкод : 2020Icar..35113963W . дои : 10.1016/j.icarus.2020.113963 . ПМЦ 7571586 . ПМИД 33087944 . S2CID 219965690 .
- ^ отрывок из книги «Воспоминания о занятой жизни», заархивированной 10 сентября 2012 г. в archive.today , Гораций Грили, 1869 г.
- ^ Таслимиан, Рохолла (2024). «Моделирование динамического сжижения на основе турбулентной жидкости с использованием анализа большой деформации твердой фазы» . Американский журнал инженерных и прикладных наук . 17 (2): 51–55. ISSN 1941-7039 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Бусы в коробке на YouTube
- Влияние бразильского ореха на PhysicsWeb
- Ян, Х.; К. Ши; М. Хоу; К. Лу; СК Чан (3 июля 2003 г.). «Влияние воздуха на сегрегацию частиц в встряхнутом зернистом слое». Письма о физических отзывах . 91 (1): 014302. Бибкод : 2003PhRvL..91a4302Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.014302 . ПМИД 12906541 .
- Эффект бразильского ореха: численное моделирование Пример численного моделирования эффекта бразильского ореха.
- «Почему Бразилия всегда оказывается на вершине» , BBC News , 15 ноября 2001 г.
- «Почему при встряхивании банки с кофе крупные зерна поднимаются на поверхность?» , Scientific American , 9 мая 2005 г.
- «О подушках безопасности, лавинах 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 из Ноттингемского университета .