В ходе экспериментов с различными типами порошкообразных материалов, такими как песок, ученые обнаружили образование пузырей при смешивании веществ разной плотности.
Недавнее открытие Криса Бойса из Columbia Engineering раскрывает новое семейство гравитационных нестабильностей у гранулированных частиц разной плотности, перемещающихся с помощью газообразного механизма, которого нет в жидкостях. Исследование… описаноВ журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences» была опубликована статья.
Группа Бойса обнаружила необычную неустойчивость, напоминающую неустойчивость Рэлея — Тейлора. В ней легче частицы всплывают над более плотными, образуя «пальцы» или «гранулированные пузыри». Это явление возникает при взаимодействии двух жидкостей разной плотности, которые не смешиваются из-за отталкивания более легкой жидкости более тяжелой. наблюдались между двумя зернистыми материалами.
Исследование впервые демонстрирует формирование и подъем «пузырей» легкого песка сквозь тяжелый при вертикальной вибрации и восходящем потоке газа. Это напоминает пузыри в лава-лампе, поднимающиеся и опускающиеся. Команда обнаружила, что подобно тому как пузыри воздуха всплывают в воде из-за меньшей плотности и несмешиваемости, пузыри легкого песка поднимаются сквозь тяжелый даже при возможности смешивания обоих материалов.
Группа Бойса с помощью экспериментального и вычислительного моделирования продемонстрировала, что газ, проходящий через более легкие частицы, создает пальцеобразные и пузыреобразные структуры. Такое явление объясняется тем, что скопления легких и крупных частиц пропускают потоки газа лучше, чем тяжелые и мелкие. противодействияМежду растущим сопротивлением, усиленным газом в отдельных точках, и действующими по касательной силами возникает другой механизм, чем в жидкостях.
Ученые установили, что данный механизм порождает иные гравитационные неустойчивости, в числе которых каскадное ветвление нисходящих зернистых капель. продемонстрировалиНеустойчивость возможна при широком спектре воздействий – газовых потоков и вибраций. В результате формируются разные структуры в зависимости от конкретных условий.
В настоящее время Бойс исследует аналогичные жидкообразным и упорядоченным явлениям в песчинках. С геологами и вулканологами планируется обсуждение о возможности изучения этих процессов в природных условиях.