Materiały ziarniste – piasek, śnieg, ziarna zbóż czy żwir – otaczają nas na co dzień, ale ich zachowanie wciąż skrywa wiele tajemnic. W ramach najnowszych badań, których wyniki opublikowano w periodyku Nature Communications po raz pierwszy bezpośrednio potwierdzono istnienie ukrytych zawirowań w trakcie przesypywania się takich materiałów. Te tajemnicze przepływy wtórne, dotychczas przewidywane tylko teoretycznie, w końcu zostały uchwycone eksperymentalnie.
Kluczem do tego odkrycia okazało się zastosowanie nowatorskiej metody obrazowania – reografii rentgenowskiej. System DynamiX umożliwił obserwację w trójwymiarze poruszających się ziaren bez zakłócania ich naturalnego zachowania. W trakcie eksperymentu polegającego na obserwacji szklanych kulek w laboratoryjnym układzie z taśmą transportową naukowcy dostrzegli coś niezwykłego: subtelne ruchy boczne, które stanowiły pierwszy bezpośredni dowód na istnienie przepływów wtórnych.
Czytaj także: Piasek niejeden ma kolor
Zaobserwowane zawirowania objawiały się jako wiry i ruchy konwekcyjne, około dziesięciokrotnie wolniejsze od głównego ruchu transportującego. Co ciekawe, okazało się, że obecność ścian bocznych jest niezbędna do powstawania tych zjawisk – w symulacjach bez takich ograniczeń przepływy wtórne w ogóle nie występowały.
Odkrycie ma kolosalne znaczenie dla zrozumienia mechanizmów długodystansowych osuwisk, gdzie masy materiałów o objętości przekraczającej milion metrów sześciennych pokonują nieoczekiwanie duże odległości. Dotychczasowe modele matematyczne często ignorowały przepływy wtórne, co utrudniało precyzyjne przewidywanie zasięgu takich katastrof.
Badania rzucają też nowe światło na zjawisko fluidyzacji akustycznej, czyli procesu, w którym wibracje fal dźwiękowych wpływają na tarcie między cząstkami w osuwisku. To może tłumaczyć, dlaczego niektóre lawiny utrzymują mobilność na znacznie większych dystansach, niż zakładano. Co intrygujące, podobne zjawiska obserwuje się nawet na innych planetach, co wyklucza wyjaśnienia oparte wyłącznie na obecności atmosfery czy wody.
Jednym z bardziej zaskakujących aspektów badania było odkrycie wpływu kształtu cząstek na przepływ. Wydłużone ziarna jęczmienia przemieszczały się średnio o 30% szybciej niż kuliste szklane kulki, prawdopodobnie z powodu zorientowania ich osi głównej w kierunku przepływu oraz różnic w tarciu między różnymi osiami ziaren.
Badania ujawniły również zjawisko dylatacji wywołanej ścinaniem – mechanizm niemający odpowiednika w płynach, który może napędzać przepływy na dużą skalę w materiałach sypkich. Dylatacja powoduje, że materiał odpływa od warstwy ścinającej w kierunku swobodnej powierzchni, tworząc złożone wzorce cyrkulacji. Ten mechanizm pomaga wyjaśnić również zagadkową anomalię naprężeń obserwowaną w cylindrycznych celach testowych, gdzie wszystkie składowe naprężenia rosną niemal wykładniczo wraz z głębokością.
Czytaj także: Na tych plażach piasek jest w kształcie gwiazdek! Takie rzeczy tylko w Japonii
Nowe odkrycia otwierają drogę do stworzenia dokładniejszych modeli zachowania materiałów ziarnistych, co może przełożyć się na lepsze przewidywanie katastrof naturalnych i optymalizację procesów przemysłowych. Choć nauka wciąż nie potrafi w pełni wyjaśnić wszystkich mechanizmów rządzących tymi pozornie prostymi materiałami, najnowsze obserwacje przybliżają nas do zrozumienia ich prawdziwej natury.
Zrozumienie ukrytych zawirowań w materiałach ziarnistych to nie tylko ciekawostka akademicka. Ma realne przełożenie na bezpieczeństwo ludzi mieszkających w rejonach zagrożonych osuwiskami oraz na efektywność wielu procesów przemysłowych. Podczas gdy optymiści mogą już widzieć w tym rozwiązanie wszystkich problemów, zdrowy sceptycyzm każe pamiętać, że od laboratoryjnego eksperymentu do praktycznych zastosowań droga bywa długa. Niemniej jednak, każde takie odkrycie przybliża nas do lepszego zrozumienia świata, który nas otacza – nawet tego ukrytego w zwykłym ziarnku piasku.