Den fysik betonar i Sand

Durham, NC - Forskare vid Duke University har visat på försiktiga försök att inte alla sandpiles är desamma. Trycket under vissa är högst på deras centra. Men de betonar i andra får skiftat utåt likt last överförs från väggarna av några medeltida katedraler. Allt beror på hur sanden högar bildas, och ta hem budskapet är att "små förändringar i historien av preparatet har en utomordentligt dramatisk effekt", säger Robert Behringer, en hertig professor i fysik.

Dessa experiment, som stöds av National Science Foundation, har praktisk betydelse, eftersom obalanserade fördelningar av spänningar kan leda till självförstörelse av strukturer som kol och silos spannmål, sade han. Kol, som sand, är ett granulärt material, en klass som omfattar föremål så olika som frukostflingor och iskristaller.

Behringer, som nyligen blev ordförande i hertigens Institutionen för fysik, är en lång tid utredare av granulat av material som betraktas som nästan ett separat tillstånd av materia eftersom de uppvisar drag av både fasta och flytande.

I en rapport som offentliggjordes i november 1 nummer av tidskriften Physical Review E, Behringer, hans doktorand Daniel Howell, samarbetspartners från Frankrike, och Dahl Clark - en dåvarande high school student vid North Carolina School för matematik och naturvetenskap som är nu en hertig grundutbildning - funnit att sanden rinner obehindrat av skorstenar bygger upp högar med en underliggande tryck "dip" där logiken skulle säga att det inte bör vara.

I motsats till vad intuition skulle föreslå, göra den största betonar inte bli koncentrerad under dessa högar "mycket centra, utan i stället flyttas till en omgivande zon en bit bort.

Bilden vänder sig när sand görs till "regn" i allmänhet distribueras duschar istället för att hälla ut i en koncentrerad granulat torrent. Sedan den resulterande sandpiles överförs inte sina påfrestningar från centrum men istället fokusera dem där, precis som anledning skulle föreslå.

Dessa experiment, gjort i samarbete med franska forskare Loic Vanel och Eric Clement, tog upp en kontrovers som har rasat bland forskare som studerar flödet av korniga material.

"Det var en hel del mycket starka ord som flög fram och tillbaka", Behringer sade i en intervju. "Folk slogs ut i offentliga möten med mycket starka uttalanden om kvaliteten på varandras modeller."

När några fysiker "matematiska modeller och experiment började visa att sand högar kunde koncentrera sina betonar off-center, var vetenskapliga skeptiker snabbt objekt. Enligt Behringer, skyllde belackare dessa resultat på subtila brister i hur den experimentella sandpiles byggdes. En annan möjlighet var stressen detektor felaktigheter.

Den experimentatorerna vid Duke anslöt de andra vid University of Pierre och Marie Curie i Paris för att skingra de kontroverser genom att designa nya tester som var särskilt exakt.

De bygger upp sandpiles på två olika sätt. I en, flödade sand av smala öppningar på botten av konen och kilformade trattar. I den andra var sand i allmänhet distribueras genom att duscha den ut genom ytterligare ett mönster av siktar.

De tog också särskilda ansträngningar för att hålla energin i fallande sand konstant genom att höja varje tratt-och siktar höjd som sanden staplas högre under. Och de gjorde spänningsmätningar på olika platser under högarna, med hjälp av sensorer i olika tjocklekar.

Deras resultat var konsekventa. Sand som hälls direkt ur munnen på skorstenar bildas alltid högar med off-center påfrestningar. Men sand vars flöden bröts upp av silarna inte.

För att studera varför, forskarna också byggt skinny "2-dimensionell" versioner av de experiment av klar plast och kartong. På så sätt kunde de titta på vad uppgick till tvärsnitt av båda typerna av sandpiles bygga upp.

Men istället för sand, ersatt experimentatorerna speciell flexibel "photoelastic" diskar som påverkar ljuset på olika sätt till följd av påtryckningar och därmed ser ut att glöda. Genom skinande ljus genom dem, kunde de konstatera alltså där betonar bildade inom den växande 2-D högar av diskar.

Varje disk som lyste representerade ett sandkorn som medför fler påfrestningar än andra. Den glödande diskar kopplas upp i nätverk av "stress kedjor", som ser ut som ojämna blixtar när så upplyst. Och genom att jämföra resultaten, fann forskarna att stress kedjor inne i två olika typer av sand högar bildas olika mönster, sade Behringer.

Han och Howell tidigare rapporterat om deras stress kedjor forskning vid en March mötet 1998 av American Physical Society.

"Om du häller korn direkt ur en tratt, de lavin ner till ytan och vad den gör är att skapa stress kedjor som är anpassade nästan som strävpelare", tillade han och pekade på en bild av Paris Notre Dame-katedralen på hans kontor vägg.

Strävpelare är böjda strukturer som överför en del av väggen belastning av sådana katedraler mot marken en bit från centrum. Och i fallet med tratt hällde sand högar, "du bokstavligen bygger likadana bågar i granulärt material," sade han.

Däremot "Om du häller sanden ut genom en sil istället att du inte bygga upp dem utåt sluttande valv", konstaterade han. "Allt är staplade rakt upp och ner som med en stor tjock vägg. Så kraft vid en viss plats avgörs av hur mycket material som är rakt ovanför huvudet." Det betyder den högsta trycket under centrala topp.