Песок в песочных часах застывает: ученые рассказали, почему так происходит

Ученым, вероятно, удалось объяснить странное поведение сыпучих веществ. Иногда они ведут себя как твердое тело, а иногда – текут как жидкость, сообщает Science Alert.

Представьте себе песок в песочных часах. Если он медленно продвигается через сужение часов, он будет течь свободно. Но если направить тот же материал достаточно быстро или надавить на него с силой, его частицы обычно застревают, переходя из жидкого состояния в твердое.

Чтобы избежать потенциальных закупорок, необходимо понять, когда происходит этот сдвиг из сыпучего вещества в твердое. Теперь два американских физика заявили о том, что смогли описать поведение гранулированных материалов вблизи этой «точки застревания».

Проблема становится еще более масштабной, учитывая, что такое поведение характерно не только для песка, но и для других сыпучих веществ. Поэтому она затрагивает многие сферы, от сельского хозяйства до фармацевтики. Тут речь идет о прессовании гранул в пеллеты для изготовления таблеток, переработке зерновых, а в гражданском строительстве - о прогнозировании поведения различных отложений, в которых могут быть закреплены здания.

В ходе нового исследования ученые провели моделирование в лаборатории. Они использовали числовые данные, собранные другими исследователями при изучении в лаборатории пакетов полистироловых шариков, не подверженных трению. Затем исследователи сравнили свои модели бусинок, приближающихся к точке застревания, с предсказаниями раздела математики, разработанного в 1950-х годах, под названием теория случайных матриц.

В частности, ученые изучали вибрации внутри комплектов бусин. Они изменялись от партии к партии, но бусины вибрировали на определенных частотах. То есть, через гранулированный материал могут распространяться только определенные тип частот.

Численное моделирование, проведенное в ходе нового исследования, показало специфическое распределение статистических вероятностей, известное как ансамбль Уишарта-Лагерра, «правильно воспроизводит универсальные статистические свойства застрявшей зернистой материи».

Ученые отмечают, что решающим стало осознание того, что, когда бусинки сталкиваются друг с другом, они сжимаются и отскакивают, как пружина, так что легкий контакт двух бусинок приводит к возникновению довольно больших сил.

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.