Fenómenos experimentales y explicaciones del flujo anormal.
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Los europeos suelen utilizar un desayuno llamado muzili, que es una mezcla de avena y frutos secos como la nuez de Brasil, quienquiera. se levanta por la mañana y sirve un poco para el desayuno. Pero a menudo la gente descubre que la primera persona que sirve muesli de la caja todos los días siempre recibe la nuez de Brasil más grande, mientras que la persona que sirve el muesli al final solo recibe avena.
No es que la gente sea particularmente partidaria de las grandes nueces de Brasil y las ponga encima para recompensar a los madrugadores, es que la mezcla de partículas en sí misma tiene un comportamiento muy extraño. Según nuestro pensamiento habitual, al agitar un montón de mezclas de diferentes tamaños, las más grandes y pesadas deberían hundirse hasta el fondo. Pero puedes hacer un experimento tú mismo. Pon una moneda en un azucarero y luego agítala hacia arriba y hacia abajo con regularidad. Descubrirás que la moneda emerge gradualmente y, finalmente, la moneda que falta aparecerá en la capa superior del azucarero. .
Así es el famoso "efecto frijol brasileño". Esta magia sólo puede realizarse sobre materia que tenga una naturaleza granular.
Partículas comunes
Las denominadas partículas en suspensión son un gran grupo compuesto por un gran número de partículas con un diámetro superior a 1 micra. ¡Las partículas son tan comunes! Hay granos de arena, nieve, deslizamientos de tierra, tierra y témpanos de hielo tirados en la playa, tormentas de arena ocasionales en primavera, montones de minerales, carbón, etc. utilizados en la producción, alimentos, medicinas, azúcar, etc. en la vida diaria. la sal, los cosméticos, etc., son partículas. Incluso los vehículos que circulan por las carreteras y la deriva de las placas terrestres pueden considerarse sistemas de partículas. Se puede observar que en realidad es una de las sustancias más abundantes en la tierra y la más familiar para nosotros.
¡Las partículas no solo están muy extendidas, sino que también están estrechamente relacionadas con la tecnología industrial y la vida de las personas! ¡La producción anual de cereales y otras partículas diversas en todo el mundo es de decenas de miles de millones de toneladas! Estos incluyen materiales como carbón, minerales, cemento, materiales de construcción, arena y grava, así como alimentos, materias primas industriales y productos farmacéuticos. ¡La producción, transporte, procesamiento y almacenamiento de estas sustancias consume aproximadamente el 10% de la energía total del mundo cada año!
Aunque unas pocas palabras pueden resumir qué son las partículas, los científicos están lejos de poder utilizar las teorías existentes cuando se enfrentan a este tipo de colectivo ordinario que no es ni demasiado grande ni demasiado pequeño y se puede encontrar en todas partes. , para explicar su comportamiento. La razón es que son demasiado "anormales".
Desde hace mucho tiempo estamos acostumbrados a clasificar los estados de la materia en gaseoso, líquido y sólido, pero la materia granular es una forma especial de materia. Una sola partícula puede considerarse como un sólido. pero cuando son miles Cuando se acumula el número de decenas de miles, la situación se complica. Se diferencia de cualquiera de las de sólido, líquido y gaseoso. A su vez, también podemos decir que combina las características de estas tres formas.
"Sólidos" flotantes
Las sustancias comunes, como la más común el agua, se miden por su temperatura. Cuando la temperatura es superior al punto de ebullición del agua, el agua se encuentra en estado gaseoso. estado Existe en estado sólido cuando la temperatura está por debajo del punto de congelación del agua. La temperatura es un factor importante en el cambio de la forma del agua. Para los materiales granulares, aunque la temperatura alta cambiará el estado térmico dentro de un solo grano de arena, calentar una pila de arena seguirá generando una pila de arena. ¡Pero puede exhibir las características de sólido, líquido y gas al mismo tiempo bajo las mismas condiciones de temperatura!
Por ejemplo, cuando se arroja un montón de partículas, podemos ver un escenario flotante similar a un estado gaseoso; cuando se acumula en el suelo, existe en una forma similar a un estado sólido; se acumula Las partículas que fluyen sobre la superficie son equivalentes al líquido.
Aunque la dispersión de partículas puede considerarse como un proceso gaseoso, es diferente al gas. En primer lugar, es mucho más pesado que las moléculas de gas y no se mueven a medida que aumenta la temperatura; en segundo lugar, tiene tendencia a agruparse, a diferencia de las moléculas de gas que deambulan y luego se quedan quietas. Permanezca en un lugar en silencio.
Fluir "sólido"
Entonces, ¿cuáles son las similitudes y diferencias entre partículas y líquidos? Siguiendo con el agua como ejemplo, el agua forma un cuadrado cuando alcanza la longitud adecuada. La forma del recipiente da forma a la forma del agua. Aunque la arena también puede adaptarse a recipientes de varias formas, no quedará plana como el agua sin el. contenedor. En el suelo, se acumulan y se forman, manteniendo un estado metaestable. Este estado aparentemente estable no puede soportar pequeñas perturbaciones y puede destruirse fácilmente.
Cuando llegue el verano, podemos invitar a amigos a amontonar arena en la playa para ver quién puede amontonarla más arriba. Lentamente arrojamos arena en el mismo lugar y acumulamos montones de arena, y los montones de arena se vuelven cada vez más empinados; de repente, cuando la pendiente de la superficie alcanza un cierto nivel, los montones de arena cambiarán de un estado estático estable a un estado inestable. flujo, arena fina rodando por la pila de arena como agua corriente. ¡En este momento crítico, añadir un grano de arena puede provocar un colapso total! Cuando termine el colapso, la superficie de la pila de arena volverá a su ángulo de inclinación estable. En este momento, incluso si se añaden más partículas, la pendiente de la pila de arena sigue siendo aproximadamente la misma. Esto es completamente diferente de los fluidos normales. Las partículas producen un flujo similar al de un líquido, pero el flujo sólo ocurre en la superficie, mientras que el flujo de líquido es siempre consistente y continuo por dentro y por fuera.
Estos cambios dramáticos también ocurren en otros fenómenos naturales. En la nieve de alta montaña podemos encontrarnos con aterradoras avalanchas. Las avalanchas tienen mayor probabilidad de producirse en pendientes de entre 30° y 45°. Y las nevadas continuas durante varias horas duplicarán el riesgo, lo que es una de las razones por las que los escaladores no tomarán medidas inmediatamente después de una fuerte nevada. El verdadero desencadenante que convierte un peligro potencial en una avalancha puede ser simplemente la presión de los esquís, el paso de un animal o una pequeña fuerza externa, como un fuerte grito.
"Sólidos" separados
Las bebidas que preparamos con cuidado irán mezclando gradualmente el líquido de manera uniforme después de revolverlas. Sin embargo, aplicar perturbaciones al material granular no hará que se mezcle uniformemente, sino que provocará una estratificación. Este fenómeno es el efecto de la nuez de Brasil que mencionamos al principio.
En nuestro país, al menos en las Dinastías del Sur, se ha dicho que "¡cuando la aventas y la levantas, primero viene la paja! ¡Cuando la barres, detrás queda la grava!". Se trata de separar impurezas como arena y cáscaras de grano del grano mediante agitación, agitación y agitación del recogedor. También habrá estratificación en los líquidos, pero se basa en la diferencia de densidad del líquido, de mayor a menor.
Los científicos tienen diferentes interpretaciones sobre cómo se produce este efecto de capas. Una idea es que las vibraciones hacen que las partículas pequeñas pasen a través de los espacios entre las partículas más grandes y caigan debajo, dejando las partículas más grandes en la parte superior con su soporte. Otros creen que la vibración provoca convección entre los materiales granulares, lo que provoca la separación de partículas. En un contenedor de columnas vibrante, las partículas también formarán convección, lo que no solo provocará una separación longitudinal de partículas, sino que también provocará una separación horizontal de partículas. .
¿Sólido? Plausible
¿Entonces es un sólido? Los sólidos siempre mantienen una forma y un volumen fijos. Aunque el estado de las partículas en reposo es muy similar al de un sólido, la fuerza que une estas partículas de arena dispersas es mucho menor que las fuerzas entre partículas dentro del sólido.
En un sólido, cuando presionamos hacia abajo, experimentará presión hacia abajo. Pero en la materia granular, la fuerza es desigual. La fuerza se propaga a lo largo de la dirección de la llamada distribución de la cadena de fuerza. Se forma una red de fuerza a través de la cadena de fuerza, ¡y esta red no es uniforme! La tensión sobre las partículas en la cadena de fuerza es muy fuerte, mientras que la tensión sobre las partículas contiguas puede ser muy débil o incluso ninguna fuerza. Por lo tanto, cualquier cambio de posición local o menor de las partículas en la cadena de fuerza puede provocar grandes cambios en la distribución de fuerzas del sistema de partículas, provocando el "rendimiento" general. Por ejemplo, en la naturaleza, ¡a veces pequeñas perturbaciones pueden provocar avalanchas y deslizamientos de tierra! Por otro lado, los cambios en las partículas que no están en la cadena de fuerza generalmente no tienen ningún impacto importante en todo el sistema de partículas.
Cuando la temperatura y la presión son constantes, se determina la densidad de los sólidos y líquidos. Pero para los materiales granulares, la intervención de cualquier fuerza externa puede provocar cambios en la forma de su acumulación. El cambio de forma significa un cambio de densidad.
Hay dos cambios posibles en la densidad de empaquetamiento de las partículas: al comprar arroz, agite el recipiente unas cuantas veces para contener más arroz. Debido a que los espacios entre los granos de arroz se comprimen, la densidad aumenta y el volumen se reduce. Un ejemplo de una acción externa que aumenta la densidad de empaquetamiento de partículas; cuando el sol seca una playa húmeda a la orilla del mar, la arena apretada que originalmente estaba empapada por el agua de mar se aflojará y se hinchará. En realidad, esta no es la densidad de la arena, sino la densidad de empaquetamiento de la arena.
La magia de la fricción
Con tantas partículas que se juntan, los golpes y golpes son inevitables, ¿verdad? De hecho, la colisión y la fricción son los principales movimientos de las partículas en todo momento. Cuando llega una fuerza externa, las partículas transferirán la fuerza una tras otra a través del contacto mutuo, como en una carrera de relevos en atletismo. En un montón de arena, cada grano de arena está apiñado con muchos granos de arena, por lo que esta transferencia no es uno a uno, sino que ocurre a una velocidad de uno a diez, o de diez a cientos. Dado que la fricción de la arena es lo suficientemente grande, la fuerza externa se consume fácilmente, es decir, la pila de arena puede formar rápidamente un estado metaestable. Pero si la fuerza de fricción es demasiado pequeña, por ejemplo, algunas perlas de vidrio lisas pasarán por un largo proceso hasta formar un estado metaestable.
El efecto granero es la magia creada por partículas mediante la fricción. Hace más de 100 años, los físicos británicos descubrieron que la presión en el fondo del granero dejaba de aumentar cuando la altura del granero era mayor que el doble del diámetro del fondo, es decir, cuando la altura de las partículas en el recipiente. superó un cierto valor, la presión en el fondo permaneció básicamente sin cambios. La presión es muy desigual y direccional, y hay algunos lugares donde no hay presión. Esto se debe a que cuando el grano se vierte en el granero, parte de la fuerza se transmite a las paredes que rodean el granero, por lo que la gravedad puede ser soportada por la fricción de las paredes. Esta es la razón por la que los graneros no requieren paredes cada vez más gruesas y con mayor profundidad, a diferencia de las presas. Básicamente, el espesor del granero es aproximadamente un espesor fijo.
La capacidad de dispersar la fuerza lateralmente
Si te pregunto: Entre las manzanas apiladas en un cono en el puesto de frutas, ¿cuál está bajo mayor presión y es más probable que se rompa? aplastado? Se podría pensar que la manzana en el centro del fondo estaría bajo la mayor presión debido a la mayor cantidad de manzanas apiladas encima. Este no es el caso; la manzana experimenta menos presión que otras manzanas cercanas en la misma capa. Cuando el sistema de partículas se somete a presión longitudinal, la dirección de la fuerza dentro de la partícula tiende a distribuirse transversalmente. Esta tendencia provoca la aparición de arqueamiento de partículas. Es la estructura arqueada dentro de las partículas la que dispersa la fuerza hacia la parte exterior de la pila de fruta, formando así una situación de "depresión de presión" en la que las partículas intermedias reciben menos fuerza. Así que definitivamente no fue lo primero que se arrojó a la basura, sino algunas de las manzanas en algunos círculos al lado.
El fenómeno de arqueamiento es uno de los comportamientos únicos de los sistemas de partículas. El arco puede romperse y, si tiembla, el flujo continuará hasta que se produzca el siguiente arco. De hecho, el proceso por el que las partículas salen de la boca del embudo es el proceso de destrucción y formación continua del arco en la salida.
El efecto arqueado produce el llamado “efecto cuello de botella”, muy común en nuestras vidas. La transición de un tráfico fluido a un tráfico congestionado es como la transición de partículas de un flujo escaso a un flujo denso. El flujo de personas es como partículas que chocan y se frotan entre sí. Cuando una gran cantidad de personas corren hacia una intersección sin control, quedarán firmemente bloqueadas allí como bolas de acero que forman un arco. La experiencia de la vida nos dice que cuando las personas pasan por una entrada, si pueden moverse de manera ordenada, pueden mantener un flujo suave. Cuanto más rápida es la velocidad, mayor es el flujo, pero cuando la multitud comienza a estar abarrotada y caótica, más grande es la velocidad. el flujo disminuirá bruscamente.