Время замерло: физики наконец-то выяснили, как песок в часах может внезапно остановиться

Фото: ScienceAlert

Иногда сыпучие материалы ведут себя, как твердое тело, а иногда текут как жидкость. Например, можно вспомнить движение песка в песочных часах. Если песок сыпется медленно через узкое отверстие, то он будет перемещаться свободно. Но если песок или другой сыпучий материал направить через узкое отверстие слишком быстро или же приложить большую силу, то частицы такого материала застревают и переходят из текучего состояния жидкости в состояние твердого тела. Авторы нового исследования, опубликованного в журнале European Physical Journal E, использовали давнюю математическую теорию, чтобы объяснить это, пишет ScienceAlert.

Чтобы выяснить, почему частицы сыпучих материалов внезапно застревают необходимо понять, как и когда происходит внезапное изменение состояния материала. Физики считают, что нашли способ описать поведение сыпучих материалов вблизи точки заклинивания.

По словам ученых, то что сыпучие или гранулированные материалы перестают течь и застревают при перемещении через узкие отверстия является практической проблемой, которая ограничивает скорость потока при промышленном использовании таких материалов. Эта проблема затрагивает такие отрасли, как сельское хозяйство, фармацевтика и строительство.

Авторы исследования создали моделирование, для которого использовали данные, собранные другими учеными при изучении наборов полистироловых шариков, которые не подвергаются трению. Физики сравнили свои модели этих шариков, которые приближаются к точке заклинивания, где перестают течь, как жидкость, с предсказаниями математической теории, созданной в 50-х годах прошлого века – теории случайных матриц.

Ученые изучили вибрации внутри наборов шариков. Они вибрируют на определенных частотах, что создает определенный спектр вибрации. Через сыпучие материалы могут проходить только вибрации с определенными частотами. Это свойство физики называют плотностью состояний системы.

Раньше ученые уже пытались изучить, как распределение вибрационных состояний развивается в сыпучих материалах вблизи точки заклинивания, где частицы сталкиваются друг с другом, перед тем как застрять. Но более ранние исследования не смогли различить разные разновидности теории случайных матриц, которые могли бы объяснить вибрации в сыпучих материалах.

Но авторы нового исследования сравнили данные численного моделирования и теоретические предсказания и обнаружили особенное распределение статистических вероятностей, которое известно, как совокупность Уишарта-Лагерра, которое правильно воспроизводит универсальные статистические свойства застрявшей сыпучей материи.

Ученые обнаружили, что, когда шарики сталкиваются друг с другом, они сжимаются и отскакивают, как пружина, так что контакт двух шариков приводит к возникновению довольно больших сил.

Ученые разработали модель, которая может описать свойства шариков вблизи точки заклинивания и вдали от нее, когда сыпучие материалы не движутся.

По словам ученых, эта модель может воспроизводить как статические, так и вибрационные свойства сыпучей или гранулированной материи, а это значит, что ее можно применить для обеспечения единого понимания физики сыпучей материи.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ATinform