WikiDer > Гранулярная конвекция

Granular convection
Бразильские орехи едят поверх других орехов ассорти
Демонстрация эффекта бразильского ореха с использованием стеклянной банки, чашки риса и стопки монет, служащих злоумышленником, изначально расположенной внизу.

Гранулярная конвекция это явление, когда гранулированный материал подвергнутый тряске или вибрации, будет демонстрировать характер циркуляции, аналогичный типам жидкости конвекция.[1] Иногда его называют Эффект бразильского ореха[2] когда самые крупные частицы оказываются на поверхности гранулированного материала, содержащего смесь объектов разного размера; это происходит на примере типичного контейнера с смесь орехов, где наибольшая будет бразильский орех. Это явление также известно как эффект мюсли так как это видно в пакетах сухих завтраков содержащие частицы разных размеры но похожий плотность, такие как мюсли смешивание.

В условиях эксперимента наблюдалась гранулированная конвекция частиц разного размера, образующих конвекционные ячейки похоже на движение жидкости.[3][4] Конвекция гранулированных потоков становится хорошо изученным явлением.[5]

Объяснение

Эффект бразильского ореха

Это может быть нелогичный чтобы обнаружить, что самые крупные и (предположительно) самые тяжелые частицы поднимаются вверх, но возможны несколько объяснений:

  • Центр масс всей системы (содержащей смешанные орехи) в произвольном состоянии не является оптимально низким; он имеет тенденцию быть выше из-за того, что вокруг больших бразильских орехов остается больше пустого пространства, чем вокруг более мелких.[нужна цитата] Когда гайки встряхиваются, система имеет тенденцию переходить в состояние с более низким энергопотреблением, что означает смещение центра масс вниз путем перемещения меньших гаек вниз и, таким образом, подъема бразильских гаек.[нужна цитата]
  • Включая эффекты воздуха в промежутках между частицами более крупные частицы могут стать жизнерадостный или тонуть. Более мелкие частицы могут попадать в пространство под более крупными частицами после каждого встряхивания. Со временем в смеси поднимается более крупная частица. (Согласно с Генрих Йегер, "[это] объяснение разделения по размерам может работать в ситуациях, в которых отсутствует гранулярная конвекция, например, для контейнеров с полностью исключающими трение боковыми стенками или глубоко под поверхностью высоких контейнеров (где конвекция сильно подавлена). С другой стороны, мы обнаружили, что когда трение о боковые стенки или другие механизмы создают конвекционный роликовый узор внутри вибрирующего контейнера, мы обнаружили, что конвективное движение немедленно берет верх в качестве доминирующего механизма разделения по размерам ».[6])
  • То же объяснение без аргументов о плавучести или центре масс: когда более крупная частица движется вверх, любое движение более мелких частиц в пространство под ней блокирует более крупную частицу от ее возвращения в свое прежнее положение. Повторяющееся движение приводит к проскальзыванию более мелких частиц под более крупными частицами. Большая плотность более крупных частиц не влияет на этот процесс. Встряхивать не нужно; любой процесс, который поднимает частицы, а затем позволяет им оседать, имел бы такой эффект. Процесс подъема частиц передает системе потенциальную энергию. Результатом того, что все частицы оседают в другом порядке, может быть увеличение потенциальной энергии - подъем центра масс.
  • При встряхивании частицы движутся в результате вибрации. конвекция течь; отдельные частицы движутся вверх по середине, по поверхности и вниз по бокам. Если вовлечена крупная частица, она будет перемещена вверх конвекционным потоком. Оказавшись наверху, большая частица останется там, потому что конвекционные потоки слишком узки, чтобы сметать ее вдоль стены.

Явление связано с Парадокс Паррондо настолько, насколько бразильские орехи перемещаются к верхушке смешанных орехов против гравитационного градиента при случайном встряхивании.[7]

Гранулярная конвекция была исследована с помощью МРТ [8] где конвекционные валки подобны таковым в жидкостях (Клетки Бенара) можно визуализировать.

Приложения

Производство

Эффект представляет серьезный интерес для некоторых производственных операций; После получения однородной смеси гранулированных материалов разделение различных типов частиц обычно нежелательно. Несколько факторов определяют серьезность эффекта бразильского ореха, в том числе размеры и плотности частиц, давление любой газ между частицами и формой контейнера. Прямоугольная коробка (например, коробка хлопьев для завтрака) или цилиндр (например, банка с орехами) хорошо подходит для усиления эффекта,[нужна цитата] в то время как контейнер с наклонными наружу стенками (например, в конической или сферической геометрии) приводит к так называемому обратный эффект бразильского ореха.[9]

Астрономия

В астрономия, это обычное явление при низкой плотности, или куча щебня астероиды, например астероид 25143 Итокава.[10] и 101955 Бенну.[11]

Геология

В геология, эффект распространен в ранее покрытых льдом районах, таких как Новая Англия и районы в регионах вечная мерзлота где пейзаж оформлен в кочки от морозное пучение - новые камни появляются на полях каждый год из более глубоких подземелий. Гораций Грили отметил: «Сбор камней - это бесконечный труд на одной из тех ферм Новой Англии. Выбирайте как можно точнее, следующая вспашка приводит к новому извержению валунов и гальки, размером от ореха гикори до размера чая -чайник." [12] Намек на причину появляется в его дальнейшем описании, что «эта работа в основном должна выполняться в марте или апреле, когда земля пропитана ледяной водой». Подземная вода замерзает, поднимая над ней все частицы. Когда вода начинает таять, более мелкие частицы могут оседать в отверстиях, в то время как более крупные частицы все еще поднимаются. К тому времени, когда лед больше не поддерживает более крупные камни, они, по крайней мере, частично поддерживаются более мелкими частицами, которые скользили под ними. Повторные циклы замораживания-оттаивания в течение одного года ускоряют процесс.

Это явление - одна из причин обратная оценка что можно наблюдать во многих ситуациях, включая разжижение почвы в течение землетрясения или оползни. Гранулярная конвекция также представлена ​​на примере селевой поток, который представляет собой быстро движущийся жидкий оползень из рыхлого, насыщенного мусора, который выглядит как текучий бетон. Эти потоки могут переносить материал размером от глины до валунов, включая древесные обломки, такие как бревна и пни деревьев. Потоки могут быть вызваны интенсивными дождями, таянием ледников или их комбинацией.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Гранулированная конвекция и разделение по размерам. Чикагский университет
  2. ^ Rosato, A .; Strandburg, K.J .; Prinz, F .; Свендсен, Р. Х. (1987). «Почему бразильские орехи на вершине». Письма с физическими проверками. 58 (10): 1038–41. Дои:10.1103 / Physrevlett.58.1038. PMID 10034316.
  3. ^ Риц, Франк; Станнариус, Ральф (2008). «На грани заклинивания: конвекция гранул в плотно заполненных емкостях». Письма с физическими проверками. 100 (7): 078002. arXiv:1706.04978. Bibcode:2008ФРвЛ.100г8002Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.078002. PMID 18352597. S2CID 28054132.
  4. ^ Форма сбивающих с толку шаблонов в научной песочнице, Wired, Брэндон Кейм, 28 октября 2009 г.
  5. ^ Песчинки показывают возможное пятое состояние материи, Wired, Брэндон Кейм, 24 июня 2009 г.
  6. ^ "Сидни Нагель и Генрих Джагер, вопросы и ответы". Pbs.org. Получено 2010-09-27.
  7. ^ Эбботт, Дерек (2009). «События в парадоксе Паррондо». Приложения нелинейной динамики. Springer. С. 307–321. ISBN 978-3-540-85631-3.
  8. ^ Ehrichs, E. E .; Jaeger, H.M .; Karczmar, G.S .; Knight, J. B .; Куперман, В. Ю.; Нагель, С. Р. (1995). «Гранулярная конвекция, наблюдаемая с помощью магнитно-резонансной томографии». Наука. 267 (5204): 1632–4. Bibcode:1995Научный ... 267.1632E. Дои:10.1126 / science.267.5204.1632. PMID 17808181. S2CID 29865605.
  9. ^ Рыцарь, Джеймс Б.; Jaeger, H.M .; Нагель, Сидни Р. (1993-06-14). «Вибрационное разделение гранул в гранулированной среде: конвекционное соединение». Письма с физическими проверками. 70 (24): 3728–3731. Bibcode:1993ПхРвЛ..70.3728К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.70.3728. ISSN 0031-9007. PMID 10053947.
  10. ^ Nemiroff, R .; Боннелл, Дж., Ред. (22 апреля 2007 г.). «Гладкие сечения астероида Итокава». Астрономическая картина дня. НАСА.
  11. ^ Райт, Эстебан; Quillen, Alice C .; Юг, Юлиана; Нельсон, Рэндал С .; Санчес, Пол; Сиу, Джон; Аскари, Хесам; Накадзима, Мики; Шварц, Стивен Р. (2020). «Рикошеты на астероидах: экспериментальное исследование низкоскоростных скользящих ударов в гранулированную среду». Икар. 351: 113963. arXiv:2002.01468. Bibcode:2020Icar..35113963W. Дои:10.1016 / j.icarus.2020.113963. S2CID 219965690.
  12. ^ выдержка из Воспоминания о насыщенной жизни В архиве 2012-09-10 в Archive.today, Гораций Грили 1869

внешние ссылки