Продемонстрировано образование пузырей из песка

Недавнее открытие, сделанное Крисом Бойсом из Columbia Engineering, объясняет новое семейство гравитационных нестабильностей в гранулированных частицах разных плотностей, движимых газообразующим механизмом, не наблюдаемым в жидкостях. Исследование описано в статье журнала Proceedings of the National Academy of Sciences.

Команда Бойса наблюдала неожиданную неустойчивость, похожую на неустойчивость Рэлея — Тейлора, в которой более легкие частицы поднимаются над более тяжелыми в форме «пальцев», или «гранулированных пузырей». Неустойчивости Рэлея — Тейлора, производимые взаимодействиями двух жидкостей разных плотностей, которые не могут смешаться (например, вода и масло) из-за того, что более легкая жидкость отталкивает более тяжелую, ранее не наблюдались между двумя зернистыми материалами.

Это исследование — первое, в котором показано формирование и поднятие «пузырей» более легкого песка через более тяжелый, когда оба типа подверглись вертикальной вибрации и восходящему потоку газа. Это чем-то напоминает пузыри, поднимающиеся и опускающиеся в лава-лампах. Команда обнаружила, что, подобно тому, как пузыри воздуха поднимаются в воде из-за того, что они легче и не смешиваются с ней, пузыри легкого песка поднимаются через более тяжелый, даже если оба типа вещества вполне могут смешиваться.

Группа Бойса использовала экспериментальное и вычислительное моделирование, чтобы показать, что газ, проходящий через более легкие частицы, инициирует образование пальцеобразных и пузыреобразных паттернов. Прохождение газа происходит из-за того, что у скоплений более легких и крупных частиц более высокая проходимость для потоков газа, чем у тяжелых и мелких. Такая неустойчивость в зернистых материалах происходит из-за противодействия между восходящей силой сопротивления, локально повышенной газом, и нисходящими контактными силами: этот механизм совсем иной, чем тот, что наблюдается в жидкостях.

Ученые обнаружили, что этот механизм образует и другие гравитационные неустойчивости, включая каскадное ветвление нисходящих зернистых капель. Они также продемонстрировали, что неустойчивость может происходить при большом разнообразии условий газовых потоков и вибраций, образуя различные структуры при разных условиях воздействия.

Сейчас Бойс изучает другие жидкоподобные и структурированные феномены в частицах песка. Он также обсуждает с геологами и вулканологами возможность исследования того, как этот и подобные ему процессы могут проходить в естественных условиях.