Час завмер: фізики нарешті з'ясували, як пісок у годиннику може раптово зупинитися

Іноді сипучі матеріали поводяться, як тверде тіло, а іноді течуть як рідина. Наприклад, можна згадати рух піску в пісочному годиннику. Якщо пісок сиплеться повільно через вузький отвір, то він буде переміщатися вільно. Але якщо пісок або інший сипучий матеріал спрямувати через вузький отвір надто швидко або ж докласти велику силу, то частки такого матеріалу застряють і переходять із текучого стану рідини в стан твердого тіла. Автори нового дослідження, опублікованого в журналі European Physical Journal E, використали давню математичну теорію, щоб пояснити це, пише ScienceAlert.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Щоб з'ясувати, чому частинки сипучих матеріалів раптово застряють, необхідно зрозуміти, як і коли відбувається раптова зміна стану матеріалу. Фізики вважають, що знайшли спосіб описати поведінку сипучих матеріалів поблизу точки заклинювання.

За словами вчених, те що сипучі або гранульовані матеріали перестають текти і застряють під час переміщення через вузькі отвори, є практичною проблемою, яка обмежує швидкість потоку під час промислового використання таких матеріалів. Ця проблема зачіпає такі галузі, як сільське господарство, фармацевтика і будівництво.

Автори дослідження створили моделювання, для якого використовували дані, зібрані іншими вченими під час вивчення наборів полістиролових кульок, які не піддаються тертю. Фізики порівняли свої моделі цих кульок, які наближаються до точки заклинювання, де перестають текти, як рідина, з прогнозами математичної теорії, створеної в 50-х роках минулого століття — теорії випадкових матриць.

Учені вивчили вібрації всередині наборів кульок. Вони вібрують на певних частотах, що створює певний спектр вібрації. Через сипучі матеріали можуть проходити тільки вібрації з певними частотами. Цю властивість фізики називають щільністю станів системи.

Раніше вчені вже намагалися вивчити, як розподіл вібраційних станів розвивається в сипучих матеріалах поблизу точки заклинювання, де частинки стикаються одна з одною, перед тим як застрягти. Але більш ранні дослідження не змогли розрізнити різні різновиди теорії випадкових матриць, які могли б пояснити вібрації в сипучих матеріалах.

Але автори нового дослідження порівняли дані чисельного моделювання і теоретичні передбачення і виявили особливий розподіл статистичних імовірностей, який відомий, як сукупність Вішарта-Лагерра, що правильно відтворює універсальні статистичні властивості застряглої сипучої матерії.

Вчені виявили, що, коли кульки стикаються одна з одною, вони стискаються і відскакують, як пружина, тож контакт двох кульок призводить до виникнення досить великих сил.

Вчені розробили модель, яка може описати властивості кульок поблизу точки заклинювання і далеко від неї, коли сипучі матеріали не рухаються.

За словами вчених, ця модель може відтворювати як статичні, так і вібраційні властивості сипучої або гранульованої матерії, а це означає, що її можна застосувати для забезпечення єдиного розуміння фізики сипучої матерії.

Як уже писав Фокус, фізики з'ясували, що величезна частина матерії підпорядковується "правилу чотирьох" і це не піддається поясненню. Виявилося, що багато матеріалів мають базову структурну одиницю, кратну чотирьом.

Також Фокус писав про те, що на Сонці сталасядуже рідкісна подія — майже одночасно в різних регіонах зірки виникли 4 спалахи. У результаті в космос вирвався потік плазми, який досягнувши Землі може викликати геомагнітну бурю.