La arena en reposo realmente no se comporta como un líquido, se comporta más como un sólido. Cuando golpeas la superficie de una pila de arena aplanada con un objeto grande plano, solo habrá una onda insignificante en la densidad de grano dentro de la mayor parte de la pila. De hecho, la onda dominante será una onda de sonido complicada dentro de los granos, pasada por interfaces entre ellos, y esto se disipará muy rápidamente debido a las imperfecciones.
Pero la arena comienza a comportarse un poco como un líquido muy especial si está en un régimen especial dinámico y lo suficientemente denso que se llama flujo granular (aquí está correcto que la gravedad típicamente ayuda a mantener la densidad más alta). El criterio formal es que debe exhibir una velocidad de cizallamiento suficientemente grande o gradiente de velocidades medias. Un ejemplo de esto serían las partes móviles de una pila de arena cuando se vierte desde un silo. Entonces, es posible escribir un conjunto efectivo de ecuaciones de Navier-Stokes para su comportamiento en términos de densidades, presión y velocidades de masa, que son el mismo tipo de ecuaciones que gobiernan la dinámica del agua.
Tenga en cuenta, sin embargo, que incluso en este modo, el comportamiento de los «líquidos de arena» es el de un fluido altamente No newtoniano, poniéndolo a la par con el comportamiento de fluidos como limo espeso, resina o salsa de tomate. Una característica particular incluye el hecho de que la interacción entre las capas de arena de diferentes velocidades dependerá de manera bastante no intuitiva de la velocidad relativa de las capas. La disipación en el flujo de grano también es muy alta y sin conducción externa, matará rápidamente cualquier corte. Y una vez que la velocidad de corte cae por debajo del nivel crítico, el flujo de grano se «congela» y de repente se comporta más como un sólido de nuevo.
Finalmente, cuando la arena se vuelve muy delgada y muy agitada (los granos individuales reciben mucha energía cinética aleatoria), puede comportarse como un gas por un corto tiempo. El criterio clave para este modo es que los granos no colisionen demasiado entre sí y las paredes (lo que disipa gran parte de la energía cinética). Esto puede ser difícil de sostener si los granos son pesados y cuando la gravedad está presente. Por otro lado, los granos muy ligeros pueden convertirse en un «componente menor similar a un gas» del aire durante períodos de tiempo más largos, ya que la resistencia del aire (colisiones con moléculas de aire) tiende a sincronizar la velocidad del grano con la mayor parte del aire.
En cuanto a su pregunta con la «onda de superficie» en un montón de arena. Esto es realmente bastante divertido, porque creo que los tres modos estarán típicamente presentes. Cuando golpeas la superficie de la arena con un objeto pequeño, la arena se moverá en ese punto y creará un corte local. Posiblemente, una parte de la arena se expulse en el aire para ser «similar a un gas» por un momento. Sin embargo, el cizallamiento en la arena que realmente permanece en la pila permite un comportamiento de tipo fluido durante un corto momento, creando una ondulación similar a una ola. Sin embargo, las velocidades relativas se disipan rápidamente y la ondulación se congela.
Por lo tanto, terminando con una punta para crear ondas de arena líquida: intente hacer una en una pila de arena que se presiona entre dos cilindros que giran a diferentes velocidades angulares para que la velocidad de corte en la arena sea mayor que la crítica. ¡Entonces podría ser posible obtener fenómenos ondulatorios!
(Un artículo científico sobre el tema de los flujos granulares que encontré particularmente claro es Una nueva ley constitutiva para los flujos granulares densos de Pierre Jop, Yoël Forterre & Olivier Pouliquen)
EDITAR: Acabo de notar que Cort Ammon publicó un enlace a este video de youtube de arena líquida de Mark Robber, donde se crea un «lecho fluidizado» dejando que el aire burbujee a través de la arena desde abajo. Se crea un lecho fluidizado cuando el arrastre del aire desde abajo contrarresta casi con precisión las fuerzas gravitacionales en los granos individuales. El punto es solo indirectamente sobre contrarrestar la gravedad. El punto principal es sacar los granos del contacto, para que no disipen la energía tan rápidamente. Como resultado, se necesita menos cizallamiento para mantener un comportamiento similar al fluido, y eso también es proporcionado por el flujo de aire desigual. Muy ingenioso!
