Ученые уточнили поведение гранулированных сред

Фото экспериментальной установки, реализующей систему двумерных дисков в

Фото экспериментальной установки, реализующей систему двумерных дисков в "хранилище". (кликните картинку для увеличения)

14.05.2014 (18:11)
Просмотров: 1721
Рейтинг: 2.00
Голосов: 1

Теги:
вода, жидкость, трение, давление,
Естественные науки >> Физика






Ваша оценка
-2 -1 0 1 2
Поведение гранулированных сред во многих случаях отличается от поведения воды. Известно, что зерно в хранилище воздействует на стенки посредством статического трения, чего не бывает в аналогичном «хранилище», заполненном водой. А давление зерна на нижнюю часть высокого хранилища не столь велико, как давление эквивалентного водного столба (из-за того самого трения). Можно было бы предположить, что те же самые законы будут верны и для складирования условно-двумерных объектов (к примеру, банок с напитками). Но в своей последней работе группа ученых из США показала, что в подобных двумерных системах давление больше напоминает водяную среду. Новые данные могут обеспечить создание более эффективных систем хранения и транспортировки различных товаров.

Давление в нижней части цилиндрического столба жидкости определяется весом жидкости, содержащейся в столбе. А для зерна уже давно известно, что при заполнении хранилища выше определенного уровня (приблизительно – диаметра хранилища), давление в нижней его части перестает увеличиваться. Работа, объясняющая это явление, была опубликована еще в 1895 году. Давление уменьшается из-за того, что зерно, фактически, само себя поддерживает (формируя своеобразные «арки», устойчивые за счет трения о боковые стенки, и распределяя вес вышестоящих слоев).

Группа ученых из University of Oregon (США) исследовала двумерный аналог подобного зернохранилища, в котором плоские диски на горизонтальной поверхности играли роль зерен. Сила тяжести в системе имитировалась сопротивлением от конвейерной ленты, которая постоянно проскальзывает под дисками, ограниченными в перемещениях двумя параллельными боковыми стенками. Подобные установки часто применяются в фармацевтической, пищевой или горнодобывающей промышленности для транспортировки товаров. В научной среде обычно они используются для исследования двумерных течений. В этот раз ученые взглянули на поведение дисков в отсутствии какого-либо потока. На «дне» своей системы они разместили барьер, который блокировал перемещение дисков и был снабжен датчиками, измеряющими общую «силу тяжести» (силу, необходимую для сдерживания всей системы).

В отличие от результатов «трехмерных» экспериментов, ученые обнаружили, что давление «на дне» системы продолжает расти при добавлении новых дисков в верхней части, несмотря на трение о стенки, аналогичное трению в трехмерной системе. Судя по всему, конструкция отдельных «гранул» в данном случае приводит к тому, что при добавлении новых частиц они быстро переключаются из статического трения на скольжения друг относительно друга, в результате чего происходит перестроение (для которого достаточно лишь небольшого движения). В итоге компенсации давления верхних слоев не происходит.

Ученые отмечают, что подобные явления часто встречаются на производствах, к примеру, баночных напитков (когда по каким-то причинам продвижение банок по конвейеру блокируется). В теории оно должно было бы приводить к непрерывному росту давления на первый слой банок и, соответственно, авариям на производстве. Но положение, по их мнению, спасает то, что эмпирические знания в данном случае обгоняют теоретические: люди очень хорошо умеют обращаться с гранулированными средами, даже если не всегда представляют, почему происходят те или иные явления.

В рамках своей работы исследователи определили, что восстановить влияние трения в двумерной системе позволяет замена гладких боковых стенок на пилообразные (к примеру, распечатанные на трехмерном принтере). При этом размеры отдельных «зубьев» должны быть достаточно большими, чтобы один диск мог поместиться между ними.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нравится


Екатерина Баранова

Также по теме:

Источники:



самое популярное


Rambler's Top100