Песок как жидкость: А вы знали, что песок можно превратить в «жидкость»? |

Содержание

Физики обнаружили, что гранулы песка ведут себя как жидкости разной плотности при смешивании — пузырятся и всплывают

Исследователи из Колумбийского университета продемонстрировали, как два типа песка могут вести друг с другом как жидкости разной плотности. Результаты опытов помогут разобраться с геологическими процессами — оползнями и извержениями вулканов, а также могут быть применимым в фармацевтическом производстве. Об это пишет EurekAlert.

Читайте «Хайтек» в

Движение в потоке сыпучих материалов, таких как песок и каталитические частицы, используемые в химических реакторах, лежит в основе широкого спектра природных явлений — от оползней до извержений вулканов. Этот же механизм применяется в промышленных процессах — от фармацевтического производства до улавливания углерода. Движение и смешивание сыпучих веществ часто демонстрируют поразительное сходство с жидкостями, как это происходит в движущихся песчаных дюнах, лавинах и зыбучих песках. В то же время физика, лежащая в основе подобных сыпучих потоков, не так понятна, как потоки жидкости.

Недавнее открытие Криса Бойса, доцента химической инженерии в Колумбийском университете, объясняет природу нового семейства гравитационных неустойчивостей в гранулированных частицах различной плотности, которые приводятся в действие газом. Подобные процессы не происходят в жидкостях. В сотрудничестве с группой профессора в области энергетики и инженерных наук Кристофа Мюллера из Швейцарской высшей технической школы Цюриха команда Бойса открыла неожиданную нестабильность, подобную Рэлею-Тейлору, когда более легкие зерна поднимаются через более тяжелые зерна в виде «пальцев» и «зернистых пузырьков». Нестабильность Рэлея-Тейлора возникает в результате взаимодействия двух жидкостей различной плотности, которые не смешиваются — например, масла и воды, потому что более легкая жидкость отталкивает более тяжелую. Между двумя сухими гранулированными материалами такого раньше не наблюдалось

Исследование Бойса впервые показало, что «пузырь» из легкого песка может подняться через тяжелый песок, при условии что оба типа песка подвержены вертикальной вибрации и воздействию восходящего потока газа. Ученые обнаружили , что так же, как поднимаются воздушные и масляные пузырьки в воде, потому что они легче воды и не хотят смешиваться с ней, пузырьки легкого песка проходят через тяжелый песок, даже если два типа песка тщательно попытаться перемешать.

«Мы считаем, что наше открытие трансформирует науку», — отмечает Бойс. «Мы нашли “гранулированный” аналог жидкостных механических нестабильностей. Наши результаты могут не только объяснить геологические образования и процессы, лежащие в основе формирования месторождений полезных ископаемых, но также могут быть использованы в технологии порошковой обработки в энергетике, строительстве и фармацевтической промышленности».

Исследователи также обнаружили, что газовый поток, воздействующий на песок, также создает другие гравитационные неустойчивости, в том числе каскадное ветвление нисходящей гранулированной капли. Они также показали, что нестабильность Рэлея-Тейлора как неустойчивость имеет место в широком диапазоне расхода газа и условий вибрации, образуя различные структуры при различных условиях возбуждения.

«Эти неустойчивости, которые могут быть применены к различным системам, проливают свет на динамику гранулированной среды и предлагают новые возможности для формирования рисунка в пределах гранулированных смесей для формирования новых продуктов в фармацевтической промышленности», — добавляет Бойс. «Мы особенно рады о потенциальном влиянии наших выводов о геологических науках — эти неустойчивости помогут нам понять, как образовалась структура планеты за долгую историю Земли, и предсказать, как будут формироваться другие в будущем».

ФИЗИКА НА ПЛЯЖЕ | Наука и жизнь

ФИЗИКА НА ПЛЯЖЕ

В. КОТОВ (г. Нижний Новгород)

Давайте совместим отдых на пляже с рассмотрением физической сущности происходящих при этом явлений. Привычное чудо — солнечный свет. Благодаря ему мы, не прикасаясь к предметам, имеем представление об их форме, взаимном расположении и характере их поверхности. Свету мы обязаны многоцветьем мира. А на пляже наслаждаемся солнечным теплом — энергией электромагнитного излучения Солнца.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Смачивая стенки узкой трубочки, жидкость поднимается по ним под действием капиллярных сил. Чем уже трубка, тем больше высота подъема жидкости.

Арка разрушается, если убрать опору из-под ее пяты. Песок при этом высыпается из слоев, лежащих над отверстием.

Бумажная трубка, засыпанная слоем песка, не сомнется, даже если сильно нажать на песчаную горку: давление распределится между песчинками, образующими своего рода арки в толще слоя.

В арке каждый элемент преобразует внешнюю нагрузку в боковое давление, которое направлено вдоль арочного свода. Все элементы находятся в напряженном, сжатом состоянии, передавая давление основанию арки — пяте.

Песочные часы. Лунка образуется над отверстием, через которое высыпается песок.

Напомним, что между источником излучения — Солнцем и нашей Землей лежит 150 миллионов километров почти полного вакуума. Электромагнитное излучение преодолевает это расстояние за восемь минут почти без потерь, ощутимо нагревая все предметы на пляже.

Подставив тело жарким лучам, представим, какую же мощность имеет их источник — термоядерный реактор Солнце, если ослабление расходящегося от него излучения пропорционально квадрату расстояния и на долю Земли приходится только около половины миллиардной части (0,45^.10^-9) его излучения. Но и этого вполне достаточно для создания благоприятного климата и условий жизни на планете.

Спектр излучения Солнца шире видимой области. Воздействию лежащих за ее коротковолновой границей ультрафиолетовых лучей мы обязаны появлением загара на коже.

Сравните, как нагрелись под солнцем белое полотенце и черный мяч. Если светлые предметы нагрелись относительно слабо, то темные почти обжигают при прикосновении к ним. Почему?

Цвет тел зависит от того, как их поверхность отражает электромагнитные волны. Предметы, которые поглощают электромагнитные волны всего, в том числе видимого, диапазона, испускают инфракрасные, тепловые лучи. Они воспринимаются нами как темные. Отражающие видимый свет — как светлые. Поэтому-то темные предметы нагреваются гораздо сильнее светлых: они поглощают больше энергии. Тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому при их соприкосновении также путем теплопроводности. Теплопроводность материалов, покрывающих пляж, будь то песок или галька, невелика. Стоит в самый жаркий день разрыть нагретую поверхность, как доберешься до лежащих под ней холодных слоев. Не зря врачи предупреждают: если долго лежать на одном месте даже в жару, можно простудиться. И виновата в этом теплопередача между телом человека и отбирающими тепло холодными слоями песка.

Посмотрим на другое чудо природы — обычную воду и ее, казалось бы, очевидные для нас, но на самом деле удивительные свойства.

Вода, в отличие от твердых тел, легко меняет свою форму, но, в отличие от воздуха, оказывает при этом ощутимое сопротивление движению и сохраняет постоянный объем.

Твердые тела сохраняют форму и объем благодаря большим силам взаимодействия, удерживающим составляющие их частицы на строго определенных местах. Для разрушения требуется большая сила, и оно почти всегда необратимо. В газе молекулы беспорядочно перемещаются и взаимодействуют лишь при соударениях.

В воде (и в других жидкостях) молекулы связаны силами меньшими, чем в твердых телах, и довольно легко перемещаются. Поэтому вода способна изменять форму, но сохраняет постоянным объем. Именно благодаря этому можно легко входить в воду и двигаться в ней, плавая и ныряя, а также разделять ее на порции, обливаясь и брызгаясь.

Ощущение почти полной невесомости — наиболее яркое впечатление при купании — результат действия выталкивающей силы.

Плавая в жидкости, любое тело замещает, вытесняя, определенную ее массу. А так как та находилась в равновесии, ибо ее сила тяжести (вес) уравновешивалась выталкивающей силой со стороны окружающей жидкости, то и на любое плавающее тело действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом (см. «Наука и жизнь» № 5, 2003 г.).

. .. А теперь пора в воду.

1
2
3
4
Следующая страница

Читайте в любое время

Оформить подписку

№6, 2003

Этот умопомрачительный эксперимент заставляет песок вести себя как жидкость

Жидкий песок: этот умопомрачительный эксперимент заставляет песок вести себя как жидкость

Посмотрите, как ящик с песком превращается в «кипящий слой». Экспериментаторы проводят руками по песку, и он капает, как вода.

Science

IE Originals

IE 90s 90s0003

Оригиналы IE

ОПЕРЕДАЙТЕ СВОИХ КОЛЛЕКТИВОВ С ПРОЕКТОМ

Подписываясь, вы соглашаетесь с нашими Условиями использования и Политикой. Вы можете отказаться от подписки в любое время.

Как я об этом не знал? Что может быть увлекательнее, чем смотреть на песок, но верить, что это вода? Вы верите тому, что говорят вам ваши глаза, верно?

Не спешите думать, что поверхность, по которой вы идете, не может начать движение внезапно. Это было бы похоже на прогулку по водяной кровати. И когда мы используем научные методы, это возможно.

Представьте, что песок на пляже, по которому вы идете, внезапно становится жидким. На самом деле это физически возможно, если бы кому-то удалось вставить гигантский воздушный компрессор под береговой линией.

Это больше похоже на научную фантастику, чем на реальную науку? Это то, о чем я думал. Но на самом деле это явление было хорошо использовано в прошлом. Я просто хочу, чтобы они научили меня этому на уроках естествознания.

Этот процесс известен как псевдоожижение. Это происходит, когда вы помещаете постоянный поток воздуха под любой мелкий порошок или гранулированный материал. Воздух пробивается к поверхности материала, уменьшая трение песка и заставляя его выглядеть и вести себя как жидкость.

Вы когда-нибудь видели, как предмет тонет в песке, как только вы кладете его сверху? Да, при псевдоожижении жидкий песок даже позволяет предметам тонуть или плавать на его поверхности. Это смущает, потому что это идет вразрез с тем, что вы раньше знали, что это возможно.

Но довольно слов. Посмотрите это видео от Рокки Ченга, где вы можете увидеть процесс, имитированный в миниатюре в ведре с песком. Вы можете наблюдать, как экспериментаторы проводят руками по песку, и он капает, как вода. Видеоизображения, кажется, играют с вашим разумом, и это затягивает.

Но ранее я упоминал, что это можно использовать с пользой. Я обнаружил псевдоожиженный песок только сейчас, но многие отрасли промышленности используют его уже много лет.

Расцвет псевдоожижения пришелся на 40-е и 70-е годы, когда оно широко использовалось в угольной промышленности. Вы можете себе представить, что с огромным количеством гранул легче работать, когда они находятся в более жидкой форме. Их легче транспортировать между двумя точками.

Флюидизация также помогает поддерживать одинаковую температуру всех частиц. Представьте себе, как солнце припекает на определенном участке пляжа. В тот момент, когда песок начинает течь, частицы смешиваются, и это тепло распространяется по всей площади. Наука прекрасна, не так ли?

Где сегодня можно увидеть жидкий песок в действии? Идея песка как воды все еще используется в некоторых промышленных процессах, а также применяется в производстве моллюсков и порошковых покрытий.

А как насчет действительно оригинальных приложений?

Это видео было размещено на Reddit, где несколько пользователей пытались решить, можно ли использовать этот процесс для строительства песчаного рва вокруг собственности. Ров большую часть времени будет твердым, но если враги приблизятся, включится воздушный компрессор, и злоумышленники упадут в песок и окажутся в ловушке. Звучит возможно и пугающе.

Самые популярные

Через: Rocky Cheng

For You

гидродинамика — Что заставляет песок вести себя как жидкость, когда его наливают?

спросил
1 год, 10 месяцев назад

Изменено
1 год, 10 месяцев назад

Просмотрено
2к раз

$\begingroup$

Я не смог найти удовлетворительного физического объяснения того, какой точный механизм и явление ответственны за то, что песок ведет себя как жидкость, когда его наливают, хотя его частицы являются твердыми?

гидродинамика
поток

$\endgroup$

$\begingroup$

Песок состоит из твердых зерен, которые не прочно связаны друг с другом. С другой стороны, у зерен есть углы, из-за которых они не могут легко катиться, или, возможно, из-за трения они не могут легко скользить. То же самое можно увидеть и в куче гравия.

Если насыпать песок, песчинки подпрыгивают. Они не склеиваются. Таким образом, каждый отскок позволяет им двигаться относительно друг друга. Они могут двигаться независимо, как капли жидкости.

С другой стороны, многие свойства жидкости у них отсутствуют.

Капли жидкости слипаются.
Жидкость смачивает (прилипает) к поверхности.
Жидкость имеет поверхностное натяжение
Жидкость течет без макроскопических колебаний и обычно имеет вязкость.
Жидкость не имеет крупинок крупнее молекулы.

$\endgroup$

$\begingroup$

В механике грунта максимальное напряжение сдвига, известное как прочность на сдвиг , которое грунт может выдержать без скольжения, обычно моделируется с помощью

$$
\ тау = \ сигма \ тангенс \ фи \ + \ с
$$

где

$\tau$ — прочность на сдвиг
$\sigma$ — нормальное напряжение ^†
$\phi$ — это угол трения сдвига , определенный таким образом, что $\tan \phi$ аналогичен коэффициенту трения
$c$ называется сплоченностью, она же липкость

Идеальный песок имеет $0$ сцепление и, следовательно, $0$ сопротивление сдвигу, когда на него не действует нормальное напряжение.