Løsning af pandekageproblemet

Hvis du hvirvler et glas vin med uret, vinen indeni vil også rotere med uret. Men, hvis du laver en blåbærpandekage, og du hvirvler gryden med uret, pandekagen vil dreje mod uret. Tro os ikke? Prøv det.

Det samme sker med et glas perler. Et par perler vil rotere med uret, når glasset hvirvles med uret. Imidlertid, mange perler i et glas, når de hvirvles med uret, vil rotere mod uret.

"Det er en virkelig overraskende adfærd, fordi, i modsætning til vin og pandekager, det er nøjagtig de samme objekter, i nøjagtig samme situation, "sagde Lisa Lee, en kandidatstuderende i anvendt fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

Lee og resten af ​​forskergruppen begyndte fysisk at forstå, hvorfor partikelsamlinger opfører sig sådan. Det viser sig, det handler om friktion.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Fysisk gennemgang E .

En gruppe perler er en del af en klasse af materialer kendt som granulerede medier, en samling af makroskopiske partikler, som sand, sne eller en krukke nødder.

Grunden til at vin roterer med uret, når den hvirvles med uret, mens pandekager vil rotere i den modsatte retning, er fordi vin er en væske, ligner granulerede medier under lav friktion, mens pandekager er et solidt, ligner granulerede medier under høj friktion. Når en pandekageform hvirvles, kanterne på pandekagen fanger kanterne på panden og roterer den lækre morgenmad i den modsatte retning.

"Samlinger af makroskopiske partikler er meget interessante, fordi, afhængigt af deres forhold, de kan opføre sig som en væske eller et fast stof, "sagde Lee." Sand i et timeglas, for eksempel, flyder som en væske, men sand på en strand opfører sig som et fast stof, der understøtter din vægt. "

Hvordan disse objekter overgår fra flydende til fast tilstand har været et åbent spørgsmål i årtier.

Lee og forskergruppen fandt ud af, at små grupper af perler havde lavere effektiv friktion end større grupper af perler, resulterer i overgangen fra væske til fast stof.

"En partikel, der ruller i en retning, støder på meget lidt friktion, "sagde Lee." Men mange partikler, ruller i samme retning, alle i kontakt med hinanden, oplever en masse friktion, får gruppen til at størkne og ændre adfærd. "

Ligesom pandekager, denne faste gruppe af hvirvlende partikler griber fat i kanterne af deres beholder og begynder at rotere i den modsatte retning.

Ved hjælp af en computersimulering, Lee, sammen med medforfattere John Paul Ryan og Miranda Holmes-Cerfon, viste, at når al friktion blev fjernet, partiklerne størkner aldrig, uanset hvor mange der var. Hvis partiklerne var grovere, de overgik hurtigere fra væske til fast stof.

"Dette eksperiment er et interessant tilfælde af adfærd i systemstørrelse, der stammer fra de lokale interaktioner mellem individuelle elementer, "sagde Shmuel Rubinstein, Lektor i anvendt fysik ved SEAS og seniorforfatter af undersøgelsen. "Fremkomsten af ​​sammenhængende cirkulation er genstand for stor interesse for nylig, for eksempel i tilfælde af 2-D turbulens eller aktive spinnere. Det er fedt, at lignende fysik også kan fås trivielt med et fad og en håndfuld kugler. "