Динамика сыпучих материалов - новое слово в физике.
Сыпучие (или гранулированные) материалы, вроде песка или сахара, окружают человека повсюду - и в повседневной жизни, и в природе (геологические и тектонические процессы). Они широко применяются в технологии. Поэтому удивительно, что их свойства и поведение ученые начали всерьез изучать только недавно. Возможно, что долгое время физики-теоретики не обращали внимания на динамику сыпучих веществ, считая их неким "приземленным" материалом, неинтересным с точки зрения теории. И как оказывается в последнее время, совершенно напрасно.
ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: НЕОБЫЧНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТЕЛА.
Сыпучие материалы имеют некоторые свойства как твердых тел, так и жидкостей и газов, а в некоторых условиях ведут себя совершенно особым образом.
Необычные свойства сыпучих материалов как твердых тел проявляются уже в состоянии покоя. Если на достаточно толстый слой материала (песка на пляже) положить груз, то он, конечно, вызовет напряжения и дополнительное давление в толще песка. Однако, как показали эксперименты нескольких групп, проведенные в 1995 году, величина этих напряжений очень быстро уменьшается с глубиной - по экспоненциальному закону. Кроме того, экспериментаторы четко видели, что области наибольших напряжений имеют ветвистую структуру. Другими словами, вес груза удерживается не всей площадью, а редкими узкими "столбами" напряжений.
Другое похожее явление было отмечено еще 100 лет назад Янссеном: давление столба песка в высокой вертикальной трубе сначала растет с глубиной, а начиная с некоторого значения перестает от нее зависеть - все лишнее давление передается на стенки сосуда. На самом деле, именно благодаря этому явлению скорость хода песочных часов практически не зависит от того, сколько песка еще осталось.
ГРАНУЛИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ: НЕОБЫЧНЫЕ ЖИДКОСТИ.
Гранулированные вещества ведут себя при определенных условиях и как жидкости. Всем известно, что если угол наклона песчаной горы станет достаточно крутым - образуется лавина, песок начинает стекать. То, что скорость течения зависит от угла наклона - неудивительно, это справедливо и для жидкости. Однако, было большим удивлением обнаружить, что течет всего лишь тонкий слой песка, толщиной 3-4 диаметра песчинки. На больших глубинах никакого движения не происходит вообще.
Если сосуд с песком начать мелко трясти, то тем самым можно заставить песчинки двигаться, сталкиваться. Движение всего песка начинает походить при этом на движение жидкости. Такие эксперименты проводил еще Фарадей в 1831 году. Им были отмечены необычные локальные образования, иногда достаточно стабильные, которые появлялись на поверхности гранулированных материалов. Эти образования были изучены только в последние годы. Были обнаружены локализованные колебания - осциллоны - единичные всплески толщиной в 10-30 диаметров песчинок. Будучи необычайно стабильными, они не только не диссипируют и не разрушаются, а могут даже мигрировать вдоль поверхности, взаимодействуя друг с другом, образуя своего рода связанные состояния и даже кристаллы!
Кроме таких хитрых поверхностных явлений, много занимательного происходит и в самой толще гранулированного материала, а именно - конвекция. В цилиндрическом сосуде она происходит вполне определенным образом: в центре сосуда идет поток вверх, а по краям, вдоль стенок, в тонком слое - вниз. Интересно, что при такой конвекции уже не важна масса частиц в смеси разнородных гранулированных материалов, важен только размер частиц. Именно благодаря этому частицы гораздо большего размера всплывают на поверхность и больше не опускаются: они просто не могут последовать за тонким конвективным потоком вдоль стенок. Надо отметить, что характер конвективного движения сильно зависит от формы сосуда - в коническом сосуде, к примеру, конвективное движение будет как раз противоположным.
Другое необычное явление в смеси разнородных гранулированных материалов - это саморазделение на фракции (сегрегация) при наличии температурного градиента в системе. Оказалось, что более крупные частицы стремятся собираться в самых холодных районах, максимально далеких от источника тепла. Если же поместить в такие условия смесь одинаковых по размеру, но разных по массе частиц, то в зависимости от конкретного положения источника тепла две фракции либо полностью разделяются, либо однородно перемешиваются. И то, и другое - очень важные процессы в промышленности. Безусловно, в скором времени то, что сейчас является передним краем науки, будет массово использоваться в индустрии.
В последнее время обнаружилось много общего между поведением вибрирующей массы гранулированного материала и суспензиями - взвесями мелких твердых частиц в жидкости. Хотя на уровне отдельных частиц эти две системы ведут себя совершенно по-разному, их поведение в целом оказалось похожим. В частности, наблюдались такие же осциллоны с очень похожим поведением. Возможно, это говорит о том, что нелинейная динамика, т.е. характер математических законов, управляющих движением обоих систем, одинаков.
Наконец, при отсутствии силы тяжести (что можно достичь, например, изучением двумерных горизонтальных образцов на гладкой подложке), гранулярные материалы ведут себя подобно газу. Однако, в отличие от атомных столкновений, соударения песчинок неупруги, поэтому без внешнего источника энергии движение такого газа прекратится. Это приводит к еще одному неожиданному явлению - так называемому "неупругому коллапсу". В таком "песчаном газе" происходит приблизительно следующее: если при каждом соударении теряется малая доля энергии, то весь газ остывает практически равномерно и остается почти однородным. Если же столкновения становятся сильно неупругими - то образуются "кластеры", области абсолютно застывших частиц, не двигающихся друг относительно друга. Интересно, что эти кластеры выглядят как тонкие длинные нити, вдоль которых и собираются все песчинки после большого числа столкновений. Не исключено, что это поведение имеет связь с крупномасштабной структурой нашей Вселенной (астрономические данные говорят о том, что основная доля скоплений галактик в наблюдаемой части Вселенной сконцентрирована как бы на поверхности огромных "пузырей", а вовсе не рассеяна в пространстве равномерно). Наконец, при большой концентрации песчинок эти кластеры могут образовывать упорядоченные структуры, наподобие кристалла. Так что здесь мы видим нечто похожее на самый настоящий фазовый переход.
Самое забавное в этом деле - это то, что теоретики пока бессильны описать все открытые явления. Даже динамика таких простых объектов, как гранулированные материалы, становится очень сложной, когда речь идет о большом числе частиц. И хотя эксперименты (и может быть, открытия!) с гранулированными веществами могут делать и школьники, теоретики пока что пытаются обсчитывать одномерные модели, да и то с переменным успехом. Так что здесь еще предстоит большая работа для того, чтобы понять (и научиться использовать!) все процессы, происходящие с обыкновенным песком.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ:
http://www.phy.duke.edu/~bob/ - страничка о поведении гранулированных материалов, о методах их изучения,
http://www.aps.org/mar96/vpr/Q5.02.html - образование необычных узоров на поверхности вибрирующего гранулированного слоя,
http://www.physics.georgetown.edu:80/~granular/collapse.html - страничка о коллапсе и кластеризации в двумерных гранулированных материалах,
http://arnold.uchicago.edu/~jaeger/granular2/introduction.html - краткое введение в физику сыпучих материалов и их значение в промышленности,
http://widget.ecn.purdue.edu/~wassgren/research/ - что такое гранулированные материалы, и зачем и как их изучают (содержит много впечатляющих иллюстраций),
http://www.aip.org/physnews/graphics/html/oscillons.html - фотографии осциллонов в суспензии.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
М.А.Гольдштик "Процессы переноса в зернистом слое", Новосибирск, 1984,
Н.Б.Урьев "Физико-химические основы технологии дисперсных систем и материалов", М., Химия, 1988,
Н.Б.Урьев, А.А.Потанин "Текучесть суспензий и порошков", М., Химия 1992. И.П.Иванов
