¿Comiste cereal esta mañana? ¿O caminaste por un camino de guijarros? ¿Quizás tuviste dolor de cabeza y tuviste que tomar la píldora? Si respondió alguna de estas preguntas con Sí, se comunicó con el sistema granular hoy.
Los científicos clasifican cualquier colección de partículas pequeñas y duras, como arroz hinchado, cereales o píldoras, como un sistema granular.
Aunque todos interactuaron con este tipo de sistemas, describiendo la física cómo las partículas realmente actúan cuando están muy juntas, es sorprendentemente difícil.
Los sistemas granulares a veces se mueven como un líquido. Piense en una hora en la que la arena, material granular muy típico, corre de la mitad del vidrio a otro. Pero si corres en la playa, sabes que la arena también puede actuar como un sólido. Puedes repasarlo sin hundir arena.
Al igual que un geólogo, estoy interesado en comprender cuándo el sistema granulado es difícil y cuándo tiene fuerza y actúa como un sólido. Esta línea de investigación es muy importante para muchas aplicaciones agrícolas e industriales, como granos de maíz o tabletas en tuberías o brotes.
Comprender si el sistema granular podría usar hilo dental también es necesario para las evaluaciones geológicas del peligro. Por ejemplo, a los geólogos les gustaría saber si varios bultos que hacen que la montaña estable sea estable o si se moverán como un escobre de rock.
Transferencia de fuerzas entre cereales
Para comprender el comportamiento del sistema granular, los científicos pueden acercarse y ver las interacciones entre los granos individuales. Cuando dos partículas en contacto entre sí, pueden transmitir fuerzas entre sí.
Imagina este escenario: tienes tres bolas de tenis: granos en este experimento. Pones bolas de tenis en línea y aprietas las tres bolas entre el brazo y la pared, por lo que la mano de la mano se presiona sobre la primera bola. La última bola está en contacto con la pared, pero la bola central está flotando libre y solo las otras dos bolas toques.
Las bolas de tenis pueden actuar como un grano en este simple experimento de un sistema granulado. Cuando termines empujando la pelota de tenis, realiza una fuerza que funcione en las otras dos bolas y finalmente en una pared. Jeremy Randolph-Flagg
Al presionar la primera bola, ha transferido con éxito la fuerza desde su brazo a través de la línea tres bolas de tenis en la pared, a pesar de que solo tocó la primera bola.
Ahora imagine que tiene muchos granos, como en un montón de arena, y toda la arena de grano está en contacto con algunos granos vecinos. Los granos que tocan la transferencia se obligan entre sí. Como las fuerzas se distribuyen en este sistema granular dicta si el sistema es estable e inquieto o si se mueve, como rockslid o arena en la arena en el reloj.
A la izquierda hay discos fotolados utilizados para experimentos bidimensionales (9 mm de diámetro), y a la derecha hay grano fotoletarista utilizado para experimentos tridimensionales (14 mm de diámetro). Fuerzas de avistamiento de Nathan Coon en el laboratorio
Mi equipo de investigación entra aquí. Junto con mis alumnos, estudio cómo el grano se comunica entre sí en el laboratorio.
En nuestros experimentos, podemos visualizar las fuerzas entre los granos individuales en el sistema granular. Aunque todos los sistemas granulares tienen estas fuerzas, no podemos ver su distribución, porque la fuerza es invisible en la mayoría de los cereales, como la arena o las tabletas. Solo podemos ver fuerzas en algunos materiales transparentes.
Para que las fuerzas se vuelvan visibles, se ganaron el grano utilizando materiales transparentes y tienen propiedades especiales llamadas fotósticos. Cuando los materiales fotoletaristas se aligeran y experimentan fuerzas, separaron la luz en dos rayos que viajaban a diferentes velocidades.
Esta propiedad forma bandas brillantes y coloridas en un material transparente que de otro modo sean visibles. El brillo del grano depende de cuánto perciba la fuerza el grano, para ver cómo se distribuyen las fuerzas en el sistema granular. Las partículas en sí no emiten luz, pero cambian la rapidez con que los rayos de luz viajan a través de ellas cuando experimentan la fuerza, lo que los hace más brillantes.
En el lado A es un grano fotocateral tridimensional sin el uso de la fuerza, mientras que en la página B el mismo grano cuando se aplica la fuerza. En este caso, solo cocinamos el grano desde la parte superior e inferior. Las bandas verdes más tiernas comienzan en la parte superior y en la parte inferior del grano en la que se aplica la fuerza y es el resultado de una propiedad fotoletásica. Jacqueline Reber
Los científicos ante nosotros usaron ligereza fotográfica para visualizar la fuerza en la granidad. Estos experimentos anteriores, sin embargo, examinaron solo una capa de grano. Hemos desarrollado un método para ver fuerzas no solo con una capa de grano, sino también durante toda la multitud.
Observar las fuerzas en el exterior de la multitud de cereales es bastante fácil, pero ver que las fuerzas se distribuyen en medio de una pila es mucho más difícil. Para ver en el medio del sistema granular y para encender el grano, utilizamos una lámina de luz láser.
Para generar una hoja de luz láser, manipulamos un haz láser para que la luz se haya extendido a una hoja muy estrecha.
Con esta hoja de luz, encendimos una rebanada en todo el sistema granular. En esta porción iluminada pudimos ver qué grano se transmitía fuerzas, similares en experimentos bidimensionales anteriores, sin preocuparse por la tercera dimensión.
Luego recopilamos información de muchas rebanadas en diferentes partes de una pila de granos. Utilizamos información de cortes individuales para reconstruir el sistema granular tridimensional.
Esta técnica es similar a la forma en que los médicos reconstruyen formas tridimensionales de cerebro y otros cuerpos de una imagen bidimensional obtenida por un escáner de tomografía computarizada médica.
En los experimentos fotoalelásticos 3D, el sistema de canasta que se muestra en la parte superior izquierda se utiliza para obtener capas láser distribuidas regularmente de experimentos, y se corta el medio. La parte inferior izquierda muestra un esquema sobre cómo múltiples cortes pueden recrear un objeto 3D. La derecha muestra tres fotos consecutivas que se cortan 0.7 cm, aproximadamente un grano de grano. La muestra de verde claro muestra cómo se distribuyen las fuerzas entre los granos individuales. Nathan Coon
En nuestros experimentos actuales, usamos solo un pequeño número de granos: 107. De esta manera, podemos seguir cada grano individual y probar si este método funciona para ver la distribución de la fuerza en tres dimensiones. Estos 107 granos llenan una caja en forma de cubo de aproximadamente 4 pulgadas (10 centímetros) de ancho, alto y profundo.
Hasta ahora, el método experimental ha funcionado bien y ha logrado ver cómo se distribuye la fuerza entre 107 granos. Luego planeamos expandir la configuración experimental para incluir más cereales y explorar cómo cambia la fuerza cuando interferimos con el sistema granular, por ejemplo, por ejemplo, me encuentro con ella.
Este nuevo enfoque experimental abre la puerta para muchos más experimentos que nos ayudarán a comprender mejor los sistemas granulares. Estos sistemas están en todas partes a su alrededor y, aunque se ven tan simples, los investigadores aún no entienden cómo se comportan.
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