과립대류

Granular convection
혼합 견과류 1인분에서, 더 큰 브라질 견과류는 종종 표면에 떠오를 것이다.
유리 항아리, 쌀 한 컵, 동전 한 무더기를 사용한 브라질 너트 효과의 시연. 처음에는 바닥에 침입자 역할을 했다.

과립대류는 흔들림이나 진동에 노출되는 미세한 물질이 유동대류의 유형과 유사한 순환 패턴을 보이는 현상이다.[1] 가장 큰 입자가 다양한 크기의 물체의 혼합물을 포함하는 미세한 물질의 표면에 도달했을 때 브라질 너트 효과로[2] 설명되기도 한다. 이는 가장 큰 입자가 브라질 너트가 될 혼합 너트의 전형적인 용기의 예에서 유래한다. 이 현상은 크기가 다르지만 뮤즐리 혼합과 같이 밀도가 비슷한 입자를 함유하고 있는 조식 시리얼의 패킷에서 보여지기 때문에 뮤즐리 효과로도 알려져 있다.

실험 조건에서 다양한 크기의 입자의 세밀한 대류가 유체 운동과 유사한 대류 세포를 형성하는 것이 관찰되었다.[3][4] 미세한 흐름의 대류가 잘 이해되는 현상이 되고 있다.[5]

설명

뮤즐리 봉지를 흔드는 것이 어떻게 더 큰 성분들을 표면으로 떠오르게 하는지를 보여주는 비디오

가장 크고 (추상적으로) 무거운 입자가 위로 올라간다는 것은 직관에 반할 수도 있지만, 다음과 같은 여러 가지 설명이 가능하다.

  • 임의의 상태에서 전체 시스템의 질량(혼합 너트 포함) 중심이 최적으로 낮은 것은 아니며, 작은 너트 주변보다 큰 브라질 너트 주변에 빈 공간이 많아 더 높은 경향을 보인다.[citation needed] 견과류가 흔들리면 이 시스템은 낮은 에너지 상태로 이동하는 경향이 있는데, 이는 작은 견과류를 아래로 이동시켜 질량의 중심을 아래로 이동시켜 브라질이 견과류를 상승시키는 것을 의미한다.[citation needed]
  • 입자 사이의 공간에서 공기의 영향을 포함하면, 더 큰 입자는 부력이 되거나 가라앉을 수 있다. 작은 입자들은 흔들릴 때마다 더 큰 입자 아래의 공간에 떨어질 수 있다. 시간이 지남에 따라 혼합물에서 더 큰 입자가 상승한다. (Heinrich Jaeger에 따르면, 크기 분리에 대한 이러한 설명은 예를 들어 완전히 마찰이 없는 측면 벽이 있거나 높은 용기 표면 아래 깊이(대류가 강하게 억제되는 경우)와 같이 세밀한 대류가 없는 상황에서 작동할 수 있다. 한편, 옆벽이나 다른 메커니즘과의 마찰이 진동된 용기 내부에 대류 롤 패턴을 설정했을 때, 대류 운동이 크기 분리를 위한 지배적인 메커니즘으로 즉시 점령한다는 것을 알게 되었다."[6])
  • 부력이나 대중적 논쟁의 중심이 없는 동일한 설명: 더 큰 입자가 위쪽으로 이동할 때, 더 작은 입자들이 아래 공간으로 이동하는 어떤 움직임도 더 큰 입자가 이전 위치에서 다시 정착하는 것을 막는다. 반복적인 동작은 더 작은 입자들이 더 큰 입자 아래로 미끄러지는 결과를 낳는다. 더 큰 입자의 밀도는 이 과정에 영향을 미치지 않는다. 흔들리는 것은 필요하지 않다; 입자를 일으켜서 가라앉게 하는 어떤 과정도 이러한 영향을 끼칠 것이다. 입자를 올리는 과정은 시스템에 잠재적 에너지를 전달한다. 모든 입자가 다른 순서로 안착한 결과는 잠재적 에너지의 증가일 수 있다. 즉 질량 중심의 상승일 수 있다.
  • 흔들리면, 입자들은 진동으로 인한 대류 흐름 속에서 움직인다; 개별 입자들은 중앙을 통해 위로, 표면을 가로질러, 옆면을 따라 움직인다. 큰 입자가 관련되면 대류 흐름에 의해 위쪽으로 이동한다. 일단 꼭대기에 가면 대류 흐름이 좁아서 벽을 따라 쓸 수 없기 때문에 큰 입자는 그곳에 머무를 것이다.
  • 다양한 크기의 단단한 구체의 랜덤 패킹의 모공 크기 분포는 작은 구가 큰 구보다 중력에 의해 아래쪽으로 이동할 확률이 더 크다.[7]

이 현상은 브라질 견과류가 무작위 흔들림을 당했을 때 중력 구배를 거슬러 혼합 견과류의 상단으로 이동하는 만큼 파론도의 역설과 관련이 있다.[8]

세밀한 대류는 자기공명영상(MRI)[9]을 사용하여 유체(베나드 세포)와 유사한 대류를 시각화할 수 있도록 했다.

적용들

제조업

그 효과는 일부 제조 작업에 심각한 관심이 있다. 세분화된 물질의 균일한 혼합물이 생산되면, 다른 입자 유형이 분리되는 것은 일반적으로 바람직하지 않다. 입자의 크기와 밀도, 입자 사이의 기체의 압력, 용기의 모양 등 브라질 너트 효과의 심각도를 결정하는 요인은 몇 가지다. 직사각형 상자(예: 아침식사 시리얼 상자) 또는 실린더(너트 캔 등)는 효과에 유리하게 작용하는 반면,[citation needed] 바깥쪽으로 기울어진 벽(원뿔형 또는 구형 기하학)이 있는 용기는 역브라질 너트 효과로 알려져 있다.[10]

천문학

천문학에서는 소행성 25143 이토카와[11], 101955 베누 등 저밀도, 또는 돌무더기 소행성에서 흔히 볼 수 있다.[12]

지질학

지질학에서, 그 효과는 뉴잉글랜드와 같은 과거 빙하 지역이나 서리 강하로 인해 경관이 점막으로 형성되는 영구 동토층 지역에서 흔하게 나타난다. 즉, 더 깊은 지하에서 매년 새로운 돌들이 들판에 나타난다. 호레이스 그릴리는 "뉴잉글랜드 농장에서 돌을 줍는 것은 끝이 없는 노동이다. 다음번 쟁기는 히코리 너트 크기부터 찻주전자에 이르기까지 바위와 자갈의 새로운 분출이 나타나게 된다."[13] "이 작업은 주로 지구가 얼음처럼 차가운 물로 포화상태인 3월이나 4월에 할 예정"이라는 그의 추가 설명에 그 원인에 대한 힌트가 나타난다. 지하수는 얼어서 그 위에 있는 모든 입자를 들어올린다. 물이 녹기 시작하면 작은 입자들이 개구부 공간에 안착할 수 있고, 큰 입자들은 여전히 위로 올라간다. 얼음이 더 이상 더 큰 바위를 지지하지 않을 때쯤, 그것들은 그들 아래로 미끄러진 작은 입자들에 의해 최소한 부분적으로 지지된다. 1년 동안 반복적인 동결-소동 주기가 공정 속도를 높인다.

이 현상은 지진이나 산사태 시 토양 액화 등 여러 상황에서 관측할 수 있는 역등급의 원인 중 하나이다. 미세한 대류도 이물질 흐름으로 예시되는데, 이는 콘크리트 흐름처럼 보이는 비연결되고 포화상태의 이물질의 빠른 이동, 액화 산사태다. 이러한 흐름은 나무와 나무 그루터기와 같은 나무 찌꺼기를 포함하여 진흙에서 바위에 이르는 다양한 크기의 물질을 운반할 수 있다. 흐름은 강우량, 빙하 용해 또는 둘의 조합에 의해 유발될 수 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ 세밀한 대류 및 크기 분리. 시카고 대학교
  2. ^ Rosato, A.; Strandburg, K.J.; Prinz, F.; Swendsen, R.H. (1987). "Why the Brazil Nuts are on Top". Physical Review Letters. 58 (10): 1038–41. doi:10.1103/physrevlett.58.1038. PMID 10034316.
  3. ^ Rietz, Frank; Stannarius, Ralf (2008). "On the brink of jamming: Granular convection in densely filled containers". Physical Review Letters. 100 (7): 078002. arXiv:1706.04978. Bibcode:2008PhRvL.100g8002R. doi:10.1103/PhysRevLett.100.078002. PMID 18352597. S2CID 28054132.
  4. ^ 2009년 10월 28일, Wired, Brandon Keim 과학 샌드박스에서의 당황스러운 패턴 형성
  5. ^ 2009년 6월 24일, Wired, Brandon Keim, 가능한 다섯 번째 물질 상태를 보여주는 모래 알갱이
  6. ^ "Sidney Nagel and Heinrich Jaeger Q&A". Pbs.org. Retrieved 2010-09-27.
  7. ^ W.Sope, 컴퓨터 시뮬레이션, 하드 스피어, 파우더 테크놀로지, 62권, 이슈 2, 1990년 8월, 페이지 189-199, https://doi.org/10.1016/0032-5910(90)80083-B
  8. ^ Abbott, Derek (2009). "Developments in Parrondo's Paradox". Applications of Nonlinear Dynamics. Springer. pp. 307–321. ISBN 978-3-540-85631-3.
  9. ^ Ehrichs, E. E.; Jaeger, H. M.; Karczmar, G. S.; Knight, J. B.; Kuperman, V. Yu.; Nagel, S. R. (1995). "Granular Convection Observed by Magnetic Resonance Imaging". Science. 267 (5204): 1632–4. Bibcode:1995Sci...267.1632E. doi:10.1126/science.267.5204.1632. PMID 17808181. S2CID 29865605.
  10. ^ Knight, James B.; Jaeger, H. M.; Nagel, Sidney R. (1993-06-14). "Vibration-induced size separation in granular media: The convection connection". Physical Review Letters. 70 (24): 3728–3731. Bibcode:1993PhRvL..70.3728K. doi:10.1103/PhysRevLett.70.3728. ISSN 0031-9007. PMID 10053947.
  11. ^ Nemiroff, R.; Bonnell, J., eds. (22 April 2007). "Smooth Sections of Asteroid Itokawa". Astronomy Picture of the Day. NASA.
  12. ^ Wright, Esteban; Quillen, Alice C.; South, Juliana; Nelson, Randal C.; Sánchez, Paul; Siu, John; Askari, Hesam; Nakajima, Miki; Schwartz, Stephen R. (2020). "Ricochets on asteroids: Experimental study of low velocity grazing impacts into granular media". Icarus. 351: 113963. arXiv:2002.01468. Bibcode:2020Icar..35113963W. doi:10.1016/j.icarus.2020.113963. PMC 7571586. S2CID 219965690.
  13. ^ Horace Greyley의 2012-09-10년 기억에서 발췌한 자료. 오늘, Horace Greeley에 의해 보관된 2012-09-10 오늘.

외부 링크