písek v klidu se opravdu nechová jako kapalina, chová se spíše jako pevná látka. Když narazíte na povrch zploštělé hromady písku plochým velkým předmětem, bude v hustotě zrna uvnitř hromady jen zanedbatelná vlna. Ve skutečnosti bude dominantní vlnou komplikovaná zvuková vlna uvnitř zrn, procházející rozhraními mezi nimi, a to bude velmi rychle rozptýleno kvůli nedokonalostem.
ale písek se začne chovat trochu jako velmi zvláštní kapalina, pokud je ve zvláštním dynamickém a dostatečně hustém režimu, který se nazývá granulární tok (zde máte pravdu, že gravitace obvykle pomáhá udržovat vyšší hustotu). Formálním kritériem je, že musí vykazovat dostatečně velkou smykovou rychlost nebo gradient průměrných rychlostí. Příkladem toho by mohly být pohyblivé části hromady písku, když se nalévá ze sila. Poté je možné zapsat efektivní sadu Navier-Stokesových rovnic pro jeho chování z hlediska hustot, tlaku a objemových rychlostí, což jsou stejné typy rovnic, které řídí dynamiku vody.
Mějte však na paměti, že i v tomto režimu je chování „pískových kapalin“ chování vysoce nenewtonské tekutiny, což je srovnatelné s chováním tekutin, jako je hustý sliz, pryskyřice nebo kečup. Jeden konkrétní rys zahrnuje skutečnost, že interakce mezi vrstvami písku různých rychlostí bude záviset spíše neintuitivním způsobem na relativní rychlosti vrstev. Rozptyl v toku zrna je také velmi vysoký a bez vnějšího řízení rychle zabije jakékoli stříhání. A jakmile rychlost stříhání klesne pod kritickou úroveň, tok zrna „zamrzne“ a najednou se opět chová spíše jako pevná látka.
konečně, když je písek velmi tenký a vysoce rozrušený (jednotlivá zrna dostávají hodně náhodné kinetické energie), může se na krátkou dobu chovat jako plyn. Klíčovým kritériem pro tento režim je to, že zrna se příliš nesrazí mezi sebou a stěnami (což rozptyluje hodně kinetické energie). To může být těžké udržet, pokud jsou zrna těžká a pokud je přítomna gravitace. Na druhé straně se velmi lehká zrna mohou skutečně stát“ malou plynovou složkou “ vzduchu po delší dobu, protože odpor vzduchu (srážky s molekulami vzduchu)má tendenci synchronizovat rychlost zrna s velkým množstvím vzduchu.
pokud jde o vaši otázku s „povrchovou vlnou“ na hromadě písku. To je opravdu docela zábavné, protože věřím, že všechny tři režimy budou obvykle přítomny. Když narazíte na povrch písku malým předmětem, písek se v tomto bodě pohne a vytvoří místní stříhání. Možná se část písku vysune do vzduchu, aby byla na chvíli „plynová“. Stříhání v písku, které ve skutečnosti zůstává v hromadě, však na krátkou chvíli umožňuje chování tekutého typu a vytváří vlnové zvlnění. Nicméně relativní rychlosti se rychle rozptýlí a zvlnění zamrzne.
takže končící špičkou pro vytváření vln písek-kapalina: zkuste vytvořit jednu v hromadě písku, která je stlačena mezi dvěma válci, které se otáčejí různými úhlovými rychlostmi, takže rychlost stříhání v písku je vyšší než kritická. Pak by bylo možné získat jevy podobné vlnám!
(vědecká práce na téma granulovaných toků, kterou jsem považoval za zvláště jasnou, je nový ústavní zákon pro husté granulované toky Pierre Jop, Yoël Forterre & Olivier Pouliquen)
upravit: právě jsem si všiml, že Cort Ammon zveřejnil odkaz na toto video z tekutého písku youtube od Marka Robbera, kde je vytvořena „fluidní postel“ tím, že nechá vzduchovou bublinu skrz písek zespodu. Fluidní lože vzniká, když odpor vzduchu zespodu téměř přesně čítá gravitační síly na jednotlivá zrna. Jde jen nepřímo o potírání gravitace. Hlavním bodem je dostat zrna z kontaktu, aby nerozptýlily energii tak rychle. Výsledkem je, že k udržení chování podobného tekutině je zapotřebí méně stříhání, a to je také zajištěno nerovnoměrným proudem vzduchu. Docela geniální!
