Как внутри песка образуются пузыри из песчинок: открытие феномена

Хотя отдельные песчинки вне всякого сомнения являются твердыми телами, песок как совокупное вещество ведет себя по всем законам жидкости — достаточно вспомнить обрушение песчаных дюн или струйку песка, бегущую сквозь песочные часы. Такие материалы называются «сыпучими» и, в сравнении с материалами жидкими, физика их поведения весьма необычна.

В динамике жидкости существует механизм, называемый неустойчивостью Рэлея-Тейлора (RT). Он наблюдается на границе раздела двух жидкостей, когда у них разная плотность и более легкая жидкость просачивается через тяжелую. Это видно на примере нефти, которая всплывает сквозь слой воды, или во время взрыва сверхновой, когда более легкий газ проникает в плотные слои, окружающие его.

В гранулированном материале такое движение обычно не наблюдается. Однако поразительно похожий на него феномен обнаружили инженеры из Колумбийского университета. Химик-инженер Крис Бойс заявляет, что его команда обнаружила «гранулярный аналог одного из основных механизмов нестабильности жидкостей». Исследователи выяснили, что как вибрация, так и поток газа, восходящий сквозь гранулированный материал, могут спровоцировать процесс дестабилизации даже при комнатной температуре. На практике это выражается в том, что более легкие зерна начинают подниматься сквозь слои более тяжелых, формируя «пузырьки», которые к тому же оставляют след из частиц на своем пути.

Это очень похоже на пузырьки нефти, всплывающие в толще воды. С одной-единственной разницей: нефть и вода практически не смешиваются, а потому процесс выглядит естественно. А вот песок смешивается свободно.

Используя экспериментальный и вычислительный подходы, исследователи выяснили, что в основе этого странного процесса лежит тот факт, что скопления легких и крупных зерен позволяют газу проходить сквозь слой легче, чем тяжелые и мелкие. Это увеличивает натяжение между двумя силами: силой сопротивления, создаваемой потоком газа, и силой трения. Первая направлена вверх, вторая стремится вниз. В результате и формируются своего рода «пузыри».

Примечательно, что хоть результат и схож, в жидкостях этот механизм работает совсем по‑другому. Кроме того, команда отметила ряд весьма интересных странностей самого процесса. Например, поток газа генерирует и другие нестабильности — в своей работе команда описывает это явление как «каскадное ветвление нисходящей гранулированной капли».

Бойс отметил, что новое открытие сможет не только объяснить геологические формации и процессы, лежащие в основе месторождений полезных ископаемых, но также могут быть использованы в технологиях обработки порошка в энергетике, строительстве и фармацевтике.

Источник ^[1]

Источник ^[2]