Чому пісок може "текти" і "застигати": фізики розгадали таємницю гранульованої матерії

Сипучі матеріали можуть текти як рідина, але за певних умов можуть поводитися як тверде тіло, що створює складнощі у багатьох галузях людської діяльності – від сільського господарства до фармацевтичної промисловості.

Вчені нарешті змогли пояснити деякі "дивності" сипучих матеріалів, які несподівано можуть почати текти як вода, роблячи, наприклад, нестійким фундамент будинків. В інших випадках гранульовані субстанції навпаки збиваються в щільну грудку, ускладнюючи, наприклад, переробку або транспортування зернових.

Про це пише Science Alert.

Якщо подивитися на пісок у пісочному годиннику, він тече як рідина і вільно проходить через звуження. Так само поводитимуться й інші сипучі матеріали – рис, кава чи намистинки. Але якщо ви спробуєте прискорити цю "течію", натиснувши на сипучу масу, її частинки начебто стануть цілісним твердим тілом і застрягнуть.

Щоб уникнути таких раптових закорковувань там, де потрібен м'який потік, вченим було необхідно зрозуміти за яких умов відбувається цей раптовий зсув і настає "точка застрягання".

"Тенденція поточного гранульованого матеріалу "застрягати" і переставати текти за низької щільності є практичною проблемою, яка обмежує швидкість потоку при промисловому використанні гранульованих матеріалів", — пояснили американські фізики Онуттом Нараян та Харш Матур.

Для свого дослідження вони вивчили вібрації всередині пакетів з полістироловими кульками, які не схильні до тертя, і описали їх за допомогою теорії випадкових матриць, склавши "спектр" вібраційних частот поблизу точки застрявання.

Іншими словами, гранульований матеріал дозволяє поширюватися через нього лише певним вібраційним частотам – властивість, яку фізики називають щільністю станів системи.

Їхній експеримент показав специфічний розподіл статистичних ймовірностей, відомий як ансамбль Вішарта-Лагерра, який "правильно відтворює універсальні статистичні властивості зернистої матерії, що застрягла".

Фізики визначили, що коли намистинки стикаються один з одним, вони стискаються і відскакують, як пружина, так що навіть легкий контакт двох намистин призводить до виникнення досить великих сил. На підставі цих спостережень вчені розробили модель, яка зуміла описати властивості кульок поблизу точки застрявання та після її подолання, коли сипучі матеріали "застигають".

• Як природа допомагає науці: восьминіг надихнув вчених на створення нових моделей роботів (відео)
• Вчені з'ясували, що людський організм довго зберігає пам'ять про пережитий біль
• Може вловлювати світло та розщеплювати воду: вчені створили дивовижний матеріал