La sabbia a riposo non si comporta come un liquido, si comporta più come un solido. Quando colpisci la superficie di un mucchio di sabbia appiattito con un oggetto piatto di grandi dimensioni, ci sarà solo un’onda trascurabile nella densità del grano all’interno della massa del mucchio. In effetti, l’onda dominante sarà una complicata onda sonora all’interno dei grani, passata da interfacce tra di loro, e questa verrà dissipata molto rapidamente a causa delle imperfezioni.
Ma la sabbia inizia a comportarsi un po ‘ come un liquido molto speciale se si trova in uno speciale regime dinamico e abbastanza denso che è chiamato flusso granulare (qui hai ragione che la gravità in genere aiuta a mantenere la densità più alta). Il criterio formale è che deve presentare una velocità di taglio sufficientemente grande o un gradiente di velocità medie. Un esempio di questo potrebbe essere le parti mobili di un mucchio di sabbia quando viene versato da un silo. Quindi, è possibile scrivere un insieme efficace di equazioni di Navier-Stokes per il suo comportamento in termini di densità, pressione e velocità di massa, che sono lo stesso tipo di equazioni che governano la dinamica dell’acqua.
Attenzione, però, che anche in questa modalità il comportamento dei “liquidi sabbia” è quello di un fluido altamente non newtoniano, mettendolo alla pari con il comportamento di fluidi come melma spessa, resina o ketchup. Una caratteristica particolare include il fatto che l’interazione tra gli strati della sabbia di diverse velocità dipenderà in modi piuttosto non intuitivi dalla velocità relativa degli strati. La dissipazione nel flusso di grano è anche molto alta e senza guida esterna, ucciderà rapidamente qualsiasi taglio. E una volta che la velocità di taglio scende al di sotto del livello critico, il flusso di grano “si congela” e improvvisamente si comporta più come un solido di nuovo.
Infine, quando la sabbia diventa molto sottile e altamente agitata (i singoli grani ricevono molta energia cinetica casuale), può comportarsi come un gas per un breve periodo. Il criterio chiave per questa modalità è che i grani non si scontrano troppo tra loro e le pareti (che dissipa molta energia cinetica). Questo può essere difficile da sostenere se i grani sono pesanti e quando la gravità è presente. D’altra parte, i grani molto leggeri possono davvero diventare un “componente gassoso minore” dell’aria per più tempo poiché la resistenza dell’aria (collisioni con molecole d’aria) tende a sincronizzare la velocità del grano con la maggior parte dell’aria.
Per quanto riguarda la tua domanda con la “onda di superficie” su un mucchio di sabbia. Questo è davvero molto divertente, perché credo che tutte e tre le modalità saranno in genere presenti. Quando si colpisce la superficie della sabbia con un piccolo oggetto, la sabbia si muoverà in quel punto e creare taglio locale. Forse, una parte della sabbia espellerà nell’aria per essere “simile al gas” per un momento. Tuttavia, la tosatura nella sabbia che rimane effettivamente nel mucchio consente un comportamento di tipo fluido per un breve momento, creando un’ondulazione ondulata. Tuttavia, le velocità relative si dissipano rapidamente e l’ondulazione si blocca.
Quindi, terminando con una punta per la creazione di onde sabbia-liquido: prova a crearne una in un mucchio di sabbia che viene premuto tra due cilindri che ruotano a diverse velocità angolari in modo che la velocità di taglio nella sabbia sia superiore a quella critica. Potrebbe quindi essere possibile ottenere fenomeni ondulatori!
(Un articolo scientifico sull’argomento di flussi granulari che ho trovato particolarmente chiara è Una nuova legge costitutiva per la denso di flussi granulari da Pierre Jop, Yoël Forterre & Olivier Pouliquen)
EDIT: ho appena notato che Cort Ammon inviato un link a questa sabbia Liquida video di youtube da Mark Rapinatore, dove un “letto fluido” è creata da lasciare bolle d’aria attraverso la sabbia da sotto. Un letto fluido viene creato quando la resistenza dell’aria dal basso contrasta quasi con precisione le forze gravitazionali sui singoli grani. Il punto è solo indirettamente di contrastare la gravità. Il punto principale è di ottenere i grani fuori contatto, in modo che non dissipino l’energia più rapidamente. Di conseguenza, è necessaria meno tosatura per sostenere un comportamento simile al fluido, e questo è fornito anche dal flusso d’aria irregolare. Abbastanza ingegnoso!
