Forskning identificerer nøgleforbindelsen mellem gravitationel ustabilitet i fysiske geler og granulære medier

Forskere fra Tokyo Metropolitan University har identificeret vigtige ligheder mellem opførsel af granulære materialer og smeltende geler. De fandt ud af, at faldende sandlejer deler den samme destabiliseringsmekanisme som smeltende gelatine, når den opvarmes nedefra, især hvordan nøgleparametre skaleres med tykkelsen af ​​det fluidiserede område. Deres resultater, offentliggjort i Scientific Reports , giver et vigtigt indhug i vores forståelse af destabilisering under tyngdekraften, som det ses i laviner, jordskred og industrielle transportprocesser.

Sand og gelé ligner måske ikke meget, men de har lignende fysiske egenskaber. Sand består af milliarder af korn af fast materiale, som kan hælde som en væske og tilstoppe rør som et fast stof. Materialer som gelatineopløsninger hælder som en væske ved høj temperatur, men får pludselig faststoflignende egenskaber, når de afkøles. Ser man på de mikroskopiske detaljer, er det tydeligt, at gelers soliditet er understøttet af netværk af polymer eller protein, der krydser et materiale; dette svarer til, hvordan "kraftkæder", netværk af korn, der skubber på hinanden, giver anledning til sandets tilsyneladende soliditet. Denne fascinerende samling af fast og væskelignende adfærd danner rygraden i mange naturfænomener, såsom laviner og jordskred, men er stadig dårligt forstået.

Disse ligheder inspirerede Dr. Kazuya Kobayashi og professor Rei Kurita fra Tokyo Metropolitan University til direkte at sammenligne fysiske geler og sandlejer, mens de flyder. De observerede fluidisering af tynde lejer af sand og gelatineopløsninger ved hjælp af højhastighedskameraer. For sand blev forformede lejer af korn i enten luft eller vand vendt om og observeret, når bunden begynder at falde ud. Til gelatine blev der fremstillet to lag med forskellige koncentrationer af gelatine, det ene oven på det andet. Koncentrationerne blev valgt således, at det nederste lag ville fluidisere fuldstændigt først. Når materialet opvarmes nedefra, vil det øverste lag destabiliseres og begynde at falde.

I begge systemer fandt holdet fingering ustabilitet, hvor tynde fingre af materiale falder ned i materialet (eller luft/vand) nedenfor, der ligner regndråber, der falder ned ad et vindue. Med tiden ville nye fingre dukke op mellem de eksisterende, og grænsefladen mellem de flydende og faststoflignende dele ville trække sig tilbage. Ved at bruge en speciel billedbehandlingsteknik var holdet også i stand til at identificere et "fluidiseret" grænsefladeområde over, hvor fingrene faktisk starter. Tykkelsen af ​​denne region viste sig at være stærkt korreleret til nøgleparametre som den hastighed, hvormed fronten trækker sig tilbage, og afstanden mellem fingrene. Denne form for forhold kaldes et "skaleringsforhold" og er vigtigt i fysik for at forbinde fænomener, som kan virke anderledes i starten, men som kan være relateret på et dybere niveau gennem deres mekanismer. I dette tilfælde er dette et stærkt bevis på, hvordan lighederne mellem materialerne, dvs. forbindelsen mellem et kraftbærende netværk, ligger til grund for deres makroskopiske fysiske adfærd.

Gennem deres omfattende eksperimenter giver holdets arbejde værdifuld indsigt i, hvordan granulære materialer og geler destabiliserer under tyngdekraften, med implikationer for både fluidiseringsfænomener i naturen og designet af transportsystemer til granulære materialer i industriel skala. + Udforsk yderligere

'Magisk sand' kan hjælpe os med at forstå fysikken i granuleret stof