이상류의 실험적 현상과 설명

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유럽인들은 일반적으로 오트밀과 브라질 견과류 등의 말린 과일을 섞은 무질리(muzili)라는 아침 식사를 사용합니다. 아침에 일어나서 아침 식사로 물을 부어보세요. 그러나 사람들은 매일 상자에서 뮤즐리를 가장 먼저 따르는 사람이 항상 가장 큰 브라질 너트를 얻고, 마지막으로 뮤즐리를 따르는 사람은 오트밀만 얻는다는 사실을 종종 발견합니다.

사람들이 일찍 일어나는 사람에게 보상을 주기 위해 큰 브라질 너트를 특별히 선호하는 것은 아니지만, 입자의 혼합물 자체에는 이상한 행동이 있습니다. 우리의 일반적인 생각에 따르면, 다양한 크기의 혼합물 더미를 흔들 때 더 크고 무거운 혼합물이 바닥으로 가라앉아야 합니다. 하지만 직접 실험을 해볼 수도 있습니다. 동전을 설탕 그릇에 넣은 다음 정기적으로 위아래로 흔들면 동전이 점차적으로 나타나고 마침내 사라진 동전이 설탕 그릇의 윗부분에 나타나는 것을 볼 수 있습니다. .

그 유명한 '브라질 콩 효과'가 바로 이것이다. 이 마법은 입자적인 성질을 지닌 물질에만 행해질 수 있습니다.

일반 미세먼지

소위 미세먼지는 직경이 1미크론이 넘는 수많은 입자로 구성된 큰 그룹입니다. 미세먼지는 너무 흔해요! 해변에는 모래 알갱이, 눈, 이류, 흙과 유빙이 널려 있고, 봄에 가끔 내리는 모래 폭풍, 생산에 사용되는 광석, 석탄 등의 더미, 식량, 의약품, 설탕 등이 일상생활에서 존재합니다. 소금, 화장품 등은 모두 입자상 물질입니다. 도로 위의 차량과 지구상의 판의 표류도 입자 시스템으로 간주될 수 있습니다. 실제로 지구상에서 가장 풍부한 물질 중 하나이며 우리에게 가장 친숙한 물질임을 알 수 있습니다.

미세먼지는 널리 퍼져있을 뿐만 아니라 산업기술, 국민생활과도 밀접하게 연관되어 있습니다! 전 세계적으로 곡물 및 기타 다양한 입자상 물질의 연간 생산량은 수백억 톤에 달합니다! 여기에는 석탄, 광석, 시멘트 건축 자재, 모래 및 자갈과 같은 자재뿐만 아니라 식품, 산업 원료 및 의약품이 포함됩니다. 이러한 물질의 생산, 운송, 처리 및 저장은 매년 세계 총 에너지의 약 10%를 소비합니다!

미립자 물질이 무엇인지 몇 마디 말로 요약할 수 있지만, 너무 크지도 작지도 않은, 어디에서나 볼 수 있는 이런 평범한 집단을 마주하면 과학자들은 기존 이론을 사용하기에는 거리가 멀다. , 그들의 행동을 설명합니다. 그 이유는 그들이 너무 "비정상적"이기 때문입니다.

오랫동안 우리는 물질의 상태를 기체, 액체, 고체로 분류하는 데 익숙했지만 입상 물질은 단일 입자도 고체로 간주할 수 있는 특별한 형태입니다. 하지만 수천 명이 되면 수만 명이 쌓이면 상황이 복잡해진다. 고체, 액체, 기체 중 어느 것과도 다르다는 뜻이며, 이 세 가지 형태의 특성을 겸비한 것이라고도 할 수 있습니다.

부유하는 "고체"

가장 일반적인 물과 ​​같은 일반적인 물질은 온도로 측정됩니다. 온도가 물의 끓는점보다 높으면 물은 기체 상태가 됩니다. 상태 온도가 물의 어는점 이하일 때 고체 상태로 존재합니다. 온도는 물의 형태를 변화시키는 중요한 요소입니다. 비록 높은 온도가 단일 모래 알갱이 내부의 열 상태를 변화시키더라도 모래 더미를 가열하면 여전히 모래 더미가 생성됩니다. 그러나 동일한 온도 조건에서 고체, 액체, 기체의 특성을 동시에 나타낼 수 있습니다!

예를 들어 입자 더미가 쏟아지면 기체 상태와 유사한 부유 장면을 볼 수 있으며, 땅에 쌓이면 고체 상태와 유사한 형태로 존재합니다. 축적됩니다. 표면에 흐르는 입자는 액체와 같습니다.

입자의 산란은 기체 과정이라고 볼 수 있지만 기체와는 다릅니다. 첫째, 가스 분자보다 훨씬 무거워서 온도가 올라가도 움직이지 않습니다. 둘째, 이리저리 돌아다니는 것을 좋아하는 가스 분자와 달리 서로 뭉치는 경향이 있습니다. 조용히 한 곳에 머무르세요.

흐르는 "고체"

그렇다면 입자와 액체의 유사점과 차이점은 무엇일까요? 여전히 물을 예로 들자면, 물은 적당한 길이를 만나면 사각형을 이룬다. 모래도 다양한 모양의 용기에 적응할 수 있지만, 물이 없으면 물처럼 평평하게 누워있지는 않는다. 용기 지상에 축적되어 형성되어 준안정 상태를 유지합니다. 겉보기에 안정해 보이는 이 상태는 작은 방해에도 견딜 수 없으며 쉽게 파괴될 수 있습니다.

여름이 오면 친구들을 초대하여 해변에 모래를 쌓고 누가 더 높이 모래를 쌓을 수 있는지 알아볼 수 있습니다. 우리는 천천히 같은 장소에 모래를 버리고 모래더미를 쌓으면 모래더미는 점점 더 가파르게 변합니다. 갑자기 표면 경사가 특정 수준에 도달하면 모래더미는 안정된 정적 상태에서 불안정한 상태로 변합니다. 흐름, 고운 모래가 흐르는 물처럼 모래더미 아래로 굴러떨어지는 것. 이 중요한 순간에 모래알 하나를 추가하면 포괄적인 붕괴를 유발할 수 있습니다! 붕괴가 끝나면 모래 더미의 표면은 안정된 경사각으로 돌아갑니다. 이때 더 많은 입자를 추가하더라도 모래 더미의 경사는 여전히 거의 동일하게 유지됩니다. 이는 일반 유체와 완전히 다릅니다. 입자는 액체와 같은 흐름을 생성하지만 흐름은 표면에서만 발생하는 반면 액체의 흐름은 내부와 외부에서 항상 일정하고 연속적입니다.

이러한 극적인 변화는 다른 자연 현상에서도 발생합니다. 높은 산에 눈이 쌓이면 무서운 눈사태를 만날 수도 있습니다. 눈사태는 30°에서 45° 사이의 경사면에서 발생할 가능성이 가장 높습니다. 그리고 몇 시간 동안 계속 눈이 내리면 위험이 두 배로 커집니다. 이것이 폭설이 내린 후 등반가들이 즉시 조치를 취하지 않는 이유 중 하나입니다. 잠재적인 위험을 눈사태로 바꾸는 실제 요인은 스키의 압력, 동물의 걷기 또는 큰 비명과 같은 작은 외부 힘일 수 있습니다.

분리된 "고형물"

저희가 정성스럽게 준비한 음료는 저어준 후 서서히 균일하게 혼합됩니다. 그러나 입상물질에 교란을 가하면 균일하게 혼합되지 않고 오히려 층화가 발생하게 됩니다. 이 현상이 앞서 언급한 브라질너트 효과입니다.

우리나라는 적어도 남조시대에는 "까부르고 올리면 겨가 먼저 나오고, 쓸어버리면 자갈이 뒤에 온다!"라는 말이 있었습니다. 쓰레받기를 흔들고 흔들고 흔들어서 곡물에서 모래, 곡물껍질 등의 불순물을 분리하는 작업입니다. 액체에도 층화가 있지만 이는 큰 것에서 작은 것까지의 액체 밀도의 차이에 기초합니다.

과학자들은 이러한 레이어링 효과가 어떻게 발생하는지에 대해 서로 다른 이해를 가지고 있습니다. 한 가지 아이디어는 진동으로 인해 작은 입자가 큰 입자 사이의 틈을 통과하여 아래로 떨어지고 더 큰 입자가 지지대 위에 남게 된다는 것입니다. 다른 사람들은 진동이 입상 물질 사이에 대류를 일으켜 입자 분리를 유발한다고 믿습니다. 진동하는 기둥형 용기에서 입자도 대류를 형성하여 세로 입자 분리를 유발할 뿐만 아니라 수평 입자 분리도 유발한다고 생각합니다. .

견고한가요? 그럴듯하다

그럼 솔리드인가요? 고체는 항상 고정된 모양과 부피를 유지합니다. 정지 상태의 입자 상태는 고체 상태와 매우 유사하지만 분산된 모래 입자를 하나로 모으는 힘은 고체 내의 ​​입자 간 힘보다 훨씬 작습니다.

고체의 경우 아래로 누르면 아래쪽으로 압력이 가해집니다. 그러나 입자상 물질에서는 힘이 힘 체인 분포 방향을 따라 전파됩니다. 힘 체인은 힘 체인을 통해 형성되며 이 네트워크는 균일하지 않습니다. 힘 체인의 입자에 대한 응력은 매우 강한 반면, 그 옆에 있는 입자에 대한 응력은 매우 약하거나 전혀 힘이 없을 수도 있습니다! 따라서 힘 체인에서 입자의 국부적이거나 사소한 위치 변화는 입자 시스템의 힘 분포에 큰 변화를 일으켜 전체 "수율"을 유발할 수 있습니다! 예를 들어, 자연에서는 때때로 작은 교란이 눈사태와 산사태를 일으킬 수 있습니다! 반면, 힘 체인에 없는 입자의 변화는 일반적으로 전체 입자 시스템에 중요한 영향을 미치지 않습니다!

온도와 압력이 일정할 때 고체와 액체의 밀도가 결정됩니다. 그러나 입상물질의 경우 외력의 개입으로 인해 축적된 형태의 변화가 발생할 수 있으며, 이러한 형태의 변화는 밀도의 변화를 의미합니다.

입자의 패킹 밀도에는 두 가지 변화가 있을 수 있습니다. 쌀을 구입할 때 용기를 여러 번 흔들어 쌀알 사이의 틈이 압축되기 때문에 밀도는 커지고 부피는 작아집니다. 입자의 충전 밀도를 높이는 외부 작용의 예로, 해변의 젖은 해변이 햇빛에 건조되면 원래 바닷물에 젖어 있던 촘촘하게 쌓인 모래가 헐거워지고 부풀어오르게 됩니다. 이것은 실제로 모래의 밀도가 아니라 모래의 충전 밀도입니다.

마찰의 마법

너무 많은 입자가 모이기 때문에 부딪히고 부딪히는 것은 피할 수 없겠죠? 실제로 충돌과 마찰은 항상 입자의 주요 움직임입니다. 외부의 힘이 가해지면 입자들은 마치 육상 경기의 릴레이 경주처럼 상호 접촉을 통해 차례로 힘을 전달하게 됩니다. 모래 더미에는 모래알 하나하나가 많은 모래알과 함께 뭉쳐져 있기 때문에 이러한 이동은 일대일이 아니라 1에서 10, 또는 10에서 100의 속도로 발생합니다. 모래의 마찰력이 충분히 크기 때문에 외력이 쉽게 소모된다. 즉 모래더미는 빠르게 준안정 상태를 형성할 수 있다. 그러나 예를 들어 마찰력이 너무 작으면 일부 매끄러운 유리 구슬은 준안정 상태를 형성하기 위해 오랜 과정을 거칩니다.

곡창효과는 입자가 마찰을 이용해 만들어내는 마법이다. 100여년 전, 영국의 물리학자들은 곡물창고 높이가 바닥 직경의 두 배, 즉 용기 안의 입자 높이가 되면 곡물창고 바닥의 압력이 더 이상 증가하지 않는다는 사실을 발견했습니다. 특정 값을 초과하면 바닥의 압력은 기본적으로 변하지 않았습니다. 압력이 매우 고르지 않고 방향성이 있으며, 압력이 없는 곳도 있습니다. 왜냐하면 곡식을 헛간에 부을 때 힘의 일부가 헛간 주위의 벽에 전달되기 때문에 벽의 마찰로 중력을 견딜 수 있기 때문이다. 이것이 헛간이 댐과 달리 깊이가 증가함에 따라 점점 더 두꺼운 벽을 요구하지 않는 이유입니다. 기본적으로 헛간의 두께는 거의 고정된 두께입니다.

힘을 측면으로 분산시키는 능력

물어보면:과일 받침대에 원뿔 모양으로 쌓여 있는 사과 중 가장 큰 압력을 받고 있는 사과는 무엇입니까? 밀어 넣는? 아래쪽 중앙에 있는 사과가 그 위에 사과가 가장 많이 쌓여 있기 때문에 가장 스트레스를 많이 받을 것이라고 생각할 것입니다. 이것은 사실이 아닙니다. 사과는 같은 층에 있는 다른 사과보다 압력을 덜 받습니다. 입자 시스템이 세로 방향의 압력을 받을 때 입자 내 힘의 방향은 가로로 분포되는 경향이 있습니다. 이러한 경향은 입자상 물질의 아치 현상을 유발합니다. 과일 더미의 바깥 부분으로 힘을 분산시키는 것은 입자 내부의 아치 구조로 인해 중간 입자가 더 적은 힘을 받는 "압력 저하" 상황이 형성됩니다. 그러니 먼저 쓰레기통에 버린 것은 확실히 그 사과가 아니라 그 옆에 몇 개의 원 안에 있는 사과 몇 개였습니다.

아칭 현상은 입자 시스템의 독특한 동작 중 하나입니다. 아치가 부러질 수도 있고, 흔들리면 다음 아치가 발생할 때까지 흐름이 계속됩니다. 실제로 깔때기 입구에서 입자가 흘러나오는 과정은 출구에서 아치가 계속해서 파괴되고 형성되는 과정이다.

아칭 효과는 소위 '병목 현상'을 일으키는데, 이는 우리 삶에서 매우 흔하다. 교통이 순조로운 흐름에서 혼잡한 흐름으로 변화하는 것은 입자가 희박한 흐름에서 밀집된 흐름으로 변화하는 것과 같습니다. 사람들의 흐름은 서로 충돌하고 마찰하는 입자와 같습니다. 많은 사람들이 통제할 수 없이 교차로로 돌진하면 아치를 이루는 쇠구슬처럼 그곳에서 굳건히 막히게 됩니다. 생활 경험에 따르면 사람들이 입구를 통과할 때 질서 있게 움직일 수 있으면 속도가 빠를수록 흐름이 더 커집니다. 유량이 급격히 감소합니다.