Что определяет давление, которое может выдержать песок?
 Ученые установили, что вес, который может выдержать поверхность сыпучей смеси, в значительной степени зависит только от координационного числа каждой частицы в этой смеси. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Внешне сыпучие материалы, такие как песок, кажутся однородными, но они таковыми не являются. К примеру, давление зерна на стены амбара различно в разных точках, а «пробки» в трубах или желобах, по которым поступает песок, превращают его, фактически, в твердое тело. Понимание этих сложных систем все еще зависит от используемых при построении теории приближений, а для их определения необходимо экспериментальное выявление критических факторов (а не теоретические выводы).
Долгое время перед учеными стоял вопрос, зависит ли расположение частиц в пространстве от деталей «сыпучей системы», таких как тип частицы, действующих внешних сил и первоначальной структуры «кучи». Одним из способов найти ответ на этот вопрос было изучение сыпучих веществ, способных выдерживать на поверхности большое давление (например, нести вес человека).
Известно, что вес объекта на вершине кучи песка не делится поровну между всеми частицами. Его на самом деле поддерживают только те частицы, которые участвуют в формировании так называемых «мостов», взаимно стабилизирующих друг друга в определенных направлениях. Они могут быть расположены, к примеру, как кирпичи в своде арки (в этом примере каждая частица будет играть важную роль в общей стабильности), но есть и другие механизмы.
Чтобы найти сходство между этими «мостами» в широком диапазоне условий, группа ученых из Heinrich Heine University (Германия) использовала прозрачные сферы диаметром 2 мкм, помещенные в различные прозрачные жидкости. Созданные таким образом коллоидные смеси позволили ученым наблюдать в микроскоп явления, происходящие при варьировании условия в широком диапазоне (изменении тип жидкости, процент пространства, заполненного частицами, и т.п.). Снижение плавучести частиц «включало» гравитацию, превращая систему из типичного коллоида в сыпучую смесь, способную выдерживать некоторый вес на своей поверхности.
Не так давно данная исследовательская группа разработала алгоритм, благодаря которому удалось установить, какие частицы образуют упомянутые выше трехмерные «мосты». После обнаружения мостов, команда искала сходства в системах с разными параметрами.
Измерения показали, что основное влияние на распределение частиц и образование «мостов» оказывает так называемое координационное число – среднее число соседей каждой частицы. Результат можно назвать достаточно неожиданным, т.к. ранее многие ученые считали, что обязательно должны играть важную роль определенные свойства самого вещества. Как оказалось, их значение нельзя отрицать, но оно, определенно, преувеличивалось.
Также по теме:
Источники: