Mysteriet om, at sand flyder gennem et timeglas

Fysikere har længe vidst, at strømmen af ​​sand gennem et timeglas er helt anderledes end væskestrømmen. I tilfælde af en væske afhænger udledningshastigheden af ​​trykket ved åbningen, som bestemmes af væskens højde ovenfor.

Men tingene er anderledes i granulære medier. I 1895 opdagede en tysk ingeniør ved navn Janssen, at trykket i bunden af ​​en beholder med granulat ikke afhænger af højden af ​​kornene ovenover. Han begrundede, at kornene danner kæder og broer, der overfører deres vægt til siden af ​​beholderen, hvor de understøttes af friktion. Så trykket stiger asymptotisk med dybden op til en tærskel.

Faktisk, hvis højden af ​​granulatet er det dobbelte af bredden af ​​beholderen, er trykket i bunden faktisk konstant. Det er dette konstante bundtryk, som Janssen og andre altid har antaget, bestemmer massestrømmen ud af åbningen i et timeglas.

Ikke så, siger Maria Aguirre ved universitetet i Buenos Aires i Argentina og et par venner, der har udført et eksperiment for at teste denne idé.

Deres idé er at tage tyngdekraften ud af ligningen ved at placere granulatet, eller i dette tilfælde små skiver, på et transportbånd, som fører dem gennem en åbning (se diagram ovenfor). Dette giver dem mulighed for at ændre udgangshastigheden for skiverne gennem åbningen ved at ændre båndets hastighed.

Resultaterne giver en overraskelse: De viser, at med det samme bundtryk er det muligt at få forskellige flowhastigheder blot ved at ændre hastigheden på transportbåndet. Det betyder, at det er skivernes hastighed, der bestemmer flowhastigheden, ikke bundtrykket.

Det er et subtilt, men vigtigt resultat. Janssens effekt er blevet undersøgt i detaljer i mere end 50 år, uden at nogen har sat spørgsmålstegn ved tankegangen bag.

Og det kunne have interessante praktiske anvendelser. Det nye arbejde foreslår, at det burde være muligt at øge strømmen af ​​partikler gennem en åbning ved at øge deres hastighed gennem den. Det kunne for eksempel gøres med elektriske felter eller med faste eller flydende transportbånd som dem, der blev brugt af det argentinske hold.

Det burde være nyttigt i de mange industrier, hvor partikler skal blandes sammen på en gentagelig måde, såsom fødevare-, medicin- og byggeindustrien.

Men for dem, der er bekymrede for blødkogte æg, bør det ikke påvirke strømmen af ​​sand gennem et timeglas.

Ref: arxiv.org/abs/1005.2884 : Trykuafhængighed af granulært flow gennem en blænde

skjule