Sand i vila beter sig verkligen inte som en vätska, den beter sig mer som en fast substans. När du träffar ytan på en planad sandhög med ett platt stort föremål kommer det bara att finnas en försumbar våg i korndensiteten inom huvuddelen av högen. Faktum är att den dominerande vågen kommer att vara en komplicerad ljudvåg i kornen, passerade av gränssnitt mellan dem, och detta kommer att släppas mycket snabbt på grund av bristerna.
men sand börjar bete sig lite som en mycket speciell vätska om den är i en speciell dynamisk och tät noggrann regim som kallas ett granulärt flöde (här är du korrekt att tyngdkraften vanligtvis hjälper till att upprätthålla högre densitet). Det formella kriteriet är att det måste uppvisa en tillräckligt stor skjuvhastighet eller lutning av genomsnittliga hastigheter. Ett exempel på detta skulle vara de rörliga delarna av en hög med sand när den hälls från en silo. Sedan är det möjligt att skriva ner en effektiv uppsättning Navier-Stokes-ekvationer för dess beteende när det gäller densiteter, tryck och bulkhastigheter, som är samma typ av ekvationer som styr vattendynamiken.
se dock upp att även i detta läge är beteendet hos ”sandvätskorna” det för en mycket icke-newtonisk vätska, vilket sätter den i nivå med beteendet hos vätskor som tjock slem, harts eller ketchup. En särskild egenskap innefattar det faktum att interaktionen mellan sandskikten med olika hastigheter beror på ganska icke-intuitiva sätt på lagrets relativa hastighet. Spridningen i kornflödet är också mycket hög och utan extern körning kommer det snabbt att döda någon klippning. Och när klipphastigheten sjunker under den kritiska nivån ”fryser kornflödet” och uppträder plötsligt mer som ett fast ämne igen.
slutligen, när sanden blir mycket tunn och mycket upprörd (enskilda korn får mycket slumpmässig kinetisk energi), kan den uppträda som en gas under en kort tid. Nyckelkriteriet för detta läge är att kornen inte kolliderar för mycket mellan sig och väggarna (som släpper ut mycket av den kinetiska energin). Detta kan vara svårt att upprätthålla om kornen är tunga och när tyngdkraften är närvarande. Å andra sidan kan mycket lätta korn verkligen bli en ”mindre gasliknande komponent” av luft under längre tid eftersom luftmotståndet (kollisioner med luftmolekyler) tenderar att synkronisera kornhastigheten med huvuddelen av luften.
när det gäller din fråga med ”ytvågen” på en hög med sand. Det här är verkligen ganska underhållande, för jag tror att alla tre lägena vanligtvis kommer att vara närvarande. När du träffar sandens yta med ett litet föremål kommer sanden att röra sig vid den punkten och skapa lokal klippning. Eventuellt kommer en del av sanden att matas ut i luften för att vara ”gasliknande” ett ögonblick. Skjuvningen i sanden som faktiskt stannar i högen möjliggör emellertid ett flytande beteende för ett kort ögonblick, vilket skapar en vågliknande Krusning. Ändå försvinner de relativa hastigheterna snabbt och krusningen fryser ut.
så slutar med ett tips för att skapa sand-flytande vågor: försök att göra en i en sandhög som pressas mellan två cylindrar som roterar med olika vinkelhastigheter så att klipphastigheten i sanden är högre än den kritiska. Det kan då vara möjligt att få vågliknande fenomen!
(ett vetenskapligt papper om ämnet granulära flöden som jag tyckte var särskilt tydligt är en ny konstitutiv lag för täta granulära flöden av Pierre Jop, yo Exceptl Forterre & Olivier Pouliquen)
redigera: jag märkte bara att Cort Ammon publicerade en länk till denna flytande sand youtube-video av Mark Robber, där en ”fluidiserad säng” skapas genom att låta luftbubbla genom sanden underifrån. En fluidiserad säng skapas när luftens drag underifrån nästan exakt motverkar gravitationskrafterna på de enskilda kornen. Poängen handlar bara indirekt om att motverka tyngdkraften. Huvuddelen handlar om att få kornen ur kontakt, så att de inte släpper ut energi så snabbt. Som ett resultat behövs mindre klippning för att upprätthålla ett vätskeliknande beteende, och det tillhandahålls också av det ojämna luftflödet. Ganska genialt!
