Sand i hvile opfører sig virkelig ikke som en væske, den opfører sig mere som et fast stof. Når du rammer overfladen af en flad sandbunke med en flad stor genstand, vil der kun være en ubetydelig bølge i korntætheden inden for hovedparten af bunken. Faktisk vil den dominerende bølge være en kompliceret lydbølge i kornene, der passeres af grænseflader mellem dem, og dette vil blive spredt meget hurtigt på grund af ufuldkommenhederne.
men sand begynder at opføre sig lidt som en meget speciel væske, hvis den er i et specielt dynamisk og tæt nok regime, der kaldes en granulær strømning (her er du korrekt, at tyngdekraften typisk hjælper med at opretholde den højere densitet). Det formelle kriterium er, at det skal udvise en tilstrækkelig stor forskydningshastighed eller gradient af gennemsnitlige hastigheder. Et eksempel på dette ville være de bevægelige dele af en bunke sand, når den hældes fra en silo. Derefter er det muligt at nedskrive et effektivt sæt Navier-Stokes-ligninger for dets opførsel med hensyn til tætheder, tryk og bulkhastigheder, som er den samme type ligninger, der styrer vandets dynamik.
pas dog på, at selv i denne tilstand er “sandvæskernes” opførsel en meget ikke-Nytonisk væske, der sætter den på niveau med opførsel af væsker som tykt slim, harpiks eller ketchup. Et særligt træk inkluderer det faktum, at interaktionen mellem lagene i sandet med forskellige hastigheder vil afhænge på temmelig ikke-intuitive måder af lagens relative hastighed. Spredningen i kornstrømmen er også meget høj, og uden ekstern kørsel vil den hurtigt dræbe enhver klipning. Og når skærehastigheden falder under det kritiske niveau, “fryser kornstrømmen” og opfører sig pludselig mere som et fast stof igen.
endelig, når sandet bliver meget tyndt og stærkt agiteret (individuelle korn modtager meget tilfældig kinetisk energi), kan det opføre sig som en gas i kort tid. Nøglekriteriet for denne tilstand er, at kornene ikke kolliderer for meget mellem sig selv og væggene (der spreder meget af den kinetiske energi). Dette kan være svært at opretholde, hvis kornene er tunge, og når tyngdekraften er til stede. På den anden side kan meget lette korn virkelig blive en “mindre gaslignende komponent” af luft i længere tid, da lufttrækket (kollisioner med luftmolekyler) har tendens til at synkronisere kornhastigheden med hovedparten af luften.
hvad angår dit spørgsmål med “overfladebølgen” på en bunke sand. Dette er virkelig ret morsomt, fordi jeg tror, at alle tre tilstande typisk vil være til stede. Når du rammer overfladen af sandet med en lille genstand, vil sandet bevæge sig på det tidspunkt og skabe lokal klipning. Muligvis vil en del af sandet skubbe ud i luften for at være “gaslignende” et øjeblik. Imidlertid giver skæringen i sandet, der faktisk forbliver i bunken, mulighed for en væsketype adfærd i et kort øjeblik, hvilket skaber en bølgelignende krusning. Ikke desto mindre bliver de relative hastigheder hurtigt spredt, og krusningen fryser ud.
så slutter med et tip til oprettelse af sandvæskebølger: prøv at lave en i en sandbunke, der presses mellem to cylindre, der roterer med forskellige vinkelhastigheder, så forskydningshastigheden i sandet er højere end den kritiske. Det kan så være muligt at opnå bølgelignende fænomener!
(en videnskabelig artikel om emnet granulære strømme, som jeg fandt særlig klar, er en ny konstitutiv lov for tætte granulære strømme af Pierre Jop, Yo Larsl Forterre & Olivier Poulliken)
Rediger: jeg har lige bemærket, at Cort Ammon sendte et link til denne flydende sand youtube-video af Mark Robber, hvor en “fluidiseret seng” oprettes ved at lade luftboble gennem sandet nedenfra. En fluidiseret seng oprettes, når luftens træk nedenunder næsten præcist tæller tyngdekraften på de enkelte korn. Pointen er kun indirekte om at modvirke tyngdekraften. Hovedpunktet handler om at få kornene ud af kontakt, så de ikke spredes energi så hurtigt. Som et resultat er der behov for mindre klipning for at opretholde en væskelignende opførsel, og det tilvejebringes også af den ujævne luftstrøm. Ganske genialt!
