_ Remodelarea înțelegerii noastre despre sisteme granulare

Cercetătorii de la Rochester descoperă rolul neașteptat al formei cerealelor în amestecarea sistemelor granulare, cum ar fi produsele farmaceutice, cerealele și alunecările de teren.

Cereelele de dimineață, un borcan de nuci, nisipurile planetelor îndepărtate și chiar betonul din orașul tău sunt toate exemple de sisteme granulare care ne înconjoară. Și astfel de sisteme adăpostesc secrete care ar putea schimba modul în care amestecăm lucrurile.

Într-o nouă lucrare publicată în Proceedings of the National Academy of Sciences, oamenii de știință de la Universitatea din Rochester, inclusiv Rachel Glade, o profesor asistent de științe ale pământului și mediului și de inginerie mecanică; Fernando David Cúñez, fost asociat de cercetare postdoctoral în laboratorul Glade și acum asociat de cercetare postdoctoral la Rochester Institute of Technology; și Div Patel, au studiat materialele granulare și au descoperit rolul neașteptat pe care forma granulelor îl joacă în comportamentul sistemelor granulare.

„Materialele granulare au comportamente deosebite”, spune Cúñez, „dar nu știm prea multe despre exact modul în care se comportă, deoarece comportamentul lor depinde de atât de multe circumstanțe diferite.”

Efectul de nuci braziliene

Materiale granulare precum cerealele, produsele farmaceutice, nisipul și betonul se organizează în mod obișnuit în astfel de cazuri. o modalitate prin care boabele se segregă în funcție de dimensiune, mai degrabă decât amestecarea uniformă. De exemplu, într-un borcan cu nuci, cele mai mari nuci se găsesc în mod obișnuit în partea de sus, fenomen cunoscut sub numele de „efectul de nucă de Brazilia”.

Efectul de nucă de Brazilia poate fi o pacoste pentru multe industrii, inclusiv pentru alimentație. și medicament, deoarece împiedică amestecarea uniformă. De asemenea, are influențe în natură, unde segregarea cerealelor poate schimba dinamica geohazardelor, cum ar fi alunecările de teren, eroziunea și curgerile de resturi.

Deși fenomenul este bine cunoscut, nu este pe deplin înțeles. De asemenea, în mod tradițional, cercetătorii s-au concentrat pe dimensiunea boabelor, majoritatea studiilor anterioare presupunând că boabele sunt sferice - o uniformitate care rareori oglindește realitatea.

Glade și echipa ei au folosit simulări avansate pe computer comparând amestecuri de sfere cu amestecuri de sfere și cuburi într-un tambur rotativ și într-o configurație asemănătoare râului pentru a investiga modul în care forma boabelor afectează segregarea atât în ​​condiții uscate, cât și, respectiv, umede. Cercetările lor au arătat că chiar și mici diferențe de formă a boabelor pot modifica semnificativ dinamica segregării cerealelor.

Mai exact, cercetătorii au descoperit următoarele modele în amestecurile cu sistem uscat:

Interesant, într-un sistem fluid, tendința se schimbă spre opus: într-un amestec de sfere de aceeași dimensiune plus cuburi mai mici, cuburile mai mici se deplasează în partea de sus.

„O modalitate de a ne gândi la asta este că boabele forma schimbă segregarea atât cantitativ – în cazul tamburului uscat, cuburile scad cantitatea de segregare – cât și calitativ – în cazul râului umed, cuburile modifică tiparele de segregare”, spune Glade.

Cercetările viitoare vor explora de ce apar aceste schimbări în segregare. Cercetătorii presupun că aceasta se datorează probabil mai multor factori, inclusiv forțe exercitate asupra diferitelor particule care le fac să se lipească împreună și să reziste mișcării în moduri distincte.

Indiferent, studiul arată cât de importantă este forma granulelor în diferite domenii. .

Evidențiind implicațiile mai ample, spune Glade, „lucrarea noastră demonstrează importanța cercetării interdisciplinare, inspirându-se din fizică, inginerie și știința Pământului. Această colaborare deschide calea pentru lucrările viitoare pentru a înțelege și a prezice mai bine. geopericole, atenuează problemele de segregare în fluxurile industriale și ne îmbunătățesc înțelegerea materialelor granulare de pe Pământ și pe alte planete.”

(Fluierul)