Исследования показали, что при соединении двух видов сыпучих материалов, таких как песок, отличающихся по плотности, в них формируются пузырьки, аналогичные тем, что возникают в жидкостях.
Крис Бойс из Columbia Engineering совершил недавнее открытие, которое объясняет появление нового типа гравитационной нестабильности в гранулированных частицах с различной плотностью, перемещаемых газообразованием. Этот процесс не характерен для жидкостей. Исследование описано в статье журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.
Команда Бойса зафиксировала неожиданную нестабильность, напоминающую эффект Рэлея — Тейлора. В этом случае более легкие частицы поднимаются над более тяжелыми, образуя структуры, похожие на «пальцы» или «гранулированные пузыри». Эффект Рэлея — Тейлора возникает при взаимодействии двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, когда более легкая жидкость выталкивает более тяжелую наблюдались между двумя зернистыми материалами.
Впервые в данном исследовании продемонстрирован процесс формирования и подъема «пузырей» из более легкого песка через более тяжелый, при одновременном воздействии вертикальной вибрации и восходящего потока газа. Этот феномен имеет сходство с движением пузырьков в лава-лампах. Ученые выяснили, что, как пузыри воздуха поднимаются в воде из-за своей меньшей плотности и несмешиваемости с ней, легкие песчаные пузыри поднимаются через более тяжелый материал, несмотря на потенциальную возможность их смешивания.
Группа Бойса применила экспериментальное и вычислительное моделирование, чтобы продемонстрировать, что газ, проходя через более легкие частицы, вызывает формирование пальцевидных и пузырьковых структур. Это связано с тем, что скопления более легких и крупных частиц обладают большей газопроницаемостью по сравнению с тяжелыми и мелкими. Данная неустойчивость в зернистых материалах обусловлена противодействия между восходящей силой сопротивления, локально повышенной газом, и нисходящими контактными силами: этот механизм совсем иной, чем тот, что наблюдается в жидкостях.
Этот механизм, по мнению ученых, приводит к формированию и других гравитационных неустойчивостей, в том числе к каскадному ветвлению нисходящих зернистых капель. Они также продемонстрировали, нестабильность способна возникать при широком спектре условий газовых потоков и вибраций, приводя к формированию различных структур под воздействием этих факторов.
В настоящее время Бойс исследует другие жидкоподобные и структурированные явления, наблюдаемые в частицах песка. Он также консультируется с геологами и вулканологами, чтобы оценить, как подобные процессы могут протекать в природных условиях.