توصلت دراسة جديدة إلى أن الرمال الجافة يمكن أن تتدفق مثل السائل. كل ما يتطلبه الأمر هو الشروط الصحيحة. عندما توضع الحبوب الثقيلة فوق الحبوب الأخف وزنًا في وعاء ، يمكن أن تنفجر الحبيبات الأخف إلى الأعلى مثل النقط في مصباح الحمم.
كان العلماء يعرفون أن الحبوب الرطبة يمكن أن تتصرف مثل السوائل. الزلازل القوية ، على سبيل المثال ، يمكن أن "تسييل" الرمال الصلبة المبللة بالماء. أقل شهرة هي كيفية مزج المواد الحبيبية بدون ماء. في الواقع ، هذا البحث هو الأول الذي يوضح كيف يمكن لمزج حبيبات الرمل الجافة محاكاة السوائل.
يمكن أن يساعد فهم مثل هذه التدفقات العلماء على تفسير سلوك الانهيارات الطينية أو التدفقات المتفجرة من البراكين بشكل أفضل. يمكن أن يساعد البحث أيضًا في إنشاء خليط موحد من الجزيئات لاستخدامها في الصناعات التي تصنع الأدوية أو المواد الكيميائية أو الأطعمة. على سبيل المثال ، تميل الجسيمات الحبيبية الجافة ذات الأحجام والكثافات المختلفة إلى التحرك حول بعضها البعض. هذا يجعلهم ينفصلون - أو "demix" - كما يقول ريتشارد Lueptow. إنه مهندس ميكانيكي في جامعة نورث وسترن في إيفانستون ، إلينوي ، ولم يشارك في الدراسة الجديدة.
أبلغ الباحثون عن النتائج الجديدة التي توصلوا إليها على الإنترنت في 22 نيسان (أبريل) في Proceedings of the National Academy of Sciences .
المزج
كريستوفر ماكلارين مهندس ميكانيكي في ETH زيورخ في سويسرا. وضع فريقه نوعين من الحبوب المستديرة في حجرة زجاجية رفيعة. طبقة من الحبوب الثقيلة تجلس فوق طبقة أخف. لتحريك الحبوب ، قام الفريق بهز الغرفة. كما أرسلوا الغاز من خلاله إلى أعلى.
الحبوب "تتدفق" حول بعضها البعض مثل السوائل في مصباح الحمم. ارتفعت الفقاعات والتيارات التي تشبه الأصابع من الحبوب خفيفة الوزن إلى الأعلى. تدفقت الحبوب الثقيلة إلى أسفل في الحاوية.
تتشكل أنماط مثل تلك التي تظهر في مصابيح الحمم البركانية عندما يدفع سائل أخف طريقه إلى سائل أكثر كثافة. ينتج هذا عن ما يسميه الفيزيائيون عدم استقرار رايلي-تايلور. يظهر البحث الجديد لأول مرة أن الحبوب الجافة يمكن أن تحاكي عدم الاستقرار هذا.
كان هذا غير متوقع. يرتبط عدم الاستقرار هذا بحقيقة أن السوائل لا يمكن أن تختلط معًا. لكن هذا ليس صحيحًا بالنسبة للحبوب الصلبة. هم يستطيعون تخلط بشكل كامل - ومع ذلك لم تفعل.
يقول كريستوفر بويس:"لقد أدركنا وجود عالم مختلف تمامًا من الآليات الفيزيائية [هنا]". مؤلف الدراسة الجديدة ، يعمل مهندسًا كيميائيًا في جامعة كولومبيا في مدينة نيويورك.
الشرح:ما هو نموذج الكمبيوتر؟
استخدم فريقه نموذجًا حاسوبيًا لمحاكاة كيفية اختلاط الحبوب. وأظهرت أن تدفق الغاز والاهتزازات تتحكم في كيفية تحرك الحبوب. يتدفق الغاز المتدفق عبر الحجرة بشكل مختلف بين حبيبات مختلفة الأحجام والكثافات. أدى ذلك إلى إنشاء سحب لأعلى . أبقت هذه القوة الحبوب الأخف متكتلة معًا. كما أدى السحب إلى منع التكتلات من الاختلاط بالحبوب الثقيلة. إنها تشبه إلى حد ما الطريقة التي قد يتصرف بها الزيت والماء.
عندما غيّر الفريق معدل تدفق الغاز أو مستوى الاهتزاز ، شكلت الحبيبات أصابعًا أكبر أو نقاطًا أكبر. أظهر هذا أن كلا من الغاز والاهتزازات كانت ضرورية للحبيبات لتقليد أنماط عدم استقرار السوائل.
تغيير الأنماط
ظهر نمط مختلف عندما وضع الباحثون نقطة من الحبوب الثقيلة داخل طبقة أخف من الحبوب. تتصرف الحبوب مثل السوائل التي يمكن أن تمتزج - مثل الصبغة الحمراء في الماء.
تنقسم الحبوب الثقيلة إلى نقطتين تسقطان بزاوية خلال طبقة الحبوب الأخف. تنقسم النقط مرارًا وتكرارًا في نمط متفرع. نتج هذا النمط أيضًا عن تدفق الغاز عبر الحبوب.
يقول بول أومبانهوار إن الدراسات السابقة التي استخدمت الاهتزازات أظهرت فقط أن الحبيبات ذات الأحجام المختلفة يمكن أن تتحرك حول بعضها البعض بطرق تشبه السوائل. وهو مهندس ميكانيكي أيضًا في جامعة نورث وسترن.
نتجت هذه التحركات عن انزلاق الحبيبات الصغيرة بين الحبيبات الكبيرة أثناء الاهتزاز. انتهى الأمر بالحبوب الأكبر في القمة. إنها إلى حد كبير الطريقة التي سينتهي بها المكسرات البرازيلية في الجزء العلوي من علبة مهزوزة من المكسرات المختلطة. في الفيزياء ، تسمى هذه الظاهرة في الواقع تأثير الجوز البرازيلي.
من خلال إضافة تدفق الغاز ، يخلص أمبانهوار إلى أن النتائج الجديدة الآن تشبه إلى حد كبير سلوك السوائل العادية.
