Почему песок может "течь" и "застывать": физики разгадали тайну гранулированной материи

Сыпучие материалы могут течь как жидкость, но при определенных условиях могут  вести себя как твердое тело, что создает сложности во многих отраслях человеческой деятельности – от сельского хозяйства до фармацевтической промышленности.

Ученые наконец смогли объяснить некоторые "странности" сыпучих материалов, которые неожиданно могут начать течь как вода, делая, например, неустойчивым фундамент домов. В других же случаях гранулированные субстанции наоборот сбиваются в плотный комок, затрудняя, например, переработку или транспортировку зерновых.

Об этом пишет Science Alert.

Если посмотреть на песок в песочных часах, он течет как жидкость и свободно проходит через сужение. Так же будут вести себя и другие сыпучие материалы – рис, кофе или бусинки. Но если вы попытаетесь ускорить это "течение", надавив на сыпучую массу, ее частички как будто станут цельным твердым телом и застрянут.

Чтобы избежать таких внезапных закупорок там, где нужен мягкий поток, ученым было необходимо понять при каких условиях происходит этот внезапный сдвиг и наступает "точка застревания".

"Тенденция текущего гранулированного материала "застревать" и переставать течь при низкой плотности является практической проблемой, которая ограничивает скорость потока при промышленном использовании гранулированных материалов", – объяснили американские физики Онуттом Нараян и Харш Матур.

Для своего исследования они изучили вибрации внутри пакетов с полистироловыми шариками, которые не подвержены трению, и описали их с помощью теории случайных матриц, составив "спектр" вибрационных частот вблизи точки застревания.

Другими словами, гранулированный материал позволяет распространяться через него только определенным вибрационным частотам – свойство, которое физики называют плотностью состояний системы.

Их эксперимент показал специфическое распределение статистических вероятностей, известное как ансамбль Уишарта-Лагерра, который "правильно воспроизводит универсальные статистические свойства застрявшей зернистой материи".

Физики определили, что когда бусинки сталкиваются друг с другом, они сжимаются и отскакивают, как пружина, так что даже легкий контакт двух бусинок приводит к возникновению довольно больших сил. На основании этих наблюдения ученые разработали модель, которая сумела описать свойства шариков вблизи точки застревания и после ее преодоления, когда сыпучие материалы "застывают".