Фізика
Фізика

Фізики змішали кінетичний пісок зі звичайним та побудували насип

Японські вчені вирішили з’ясувати, як поводитиметься суміш звичайного та «чарівного» кінетичного піску. Кінетичний відмовився взаємодіяти зі звичайним, а звичайний поряд із ним перейняв його «текучі» властивості, хоч і до певного порогу. З результатів своєї роботи науковці планують з’ясувати, як «чарівний» пісок може допомогти боротися із перешкодами, які влаштовує для промисловості звичайний. Детальніше про те, як фізики просіювали, мочили та будували насипи з піщаної суміші, вони описали у статті, опублікованій у журналі Journal of the Physical Society of Japan.

Піщинки жовтого піску у мікроскопі. Alexander Klepnev / Wikimedia Commons

Піщинки жовтого піску у мікроскопі. Alexander Klepnev / Wikimedia Commons

Навіщо вченим пісок?

Фізичними системами з нескінченним числом ступенів свободи всередині, а зокрема сипучими тілами, займається фізика м'якої речовини. Вся складність у тому, що речовини на кшталт піску слід розглядати як безліч макроскопічних твердих частинок. Вони хоч і взаємодіють за принципами ньютонівської механіки, але система стає занадто «великою» для звичайних формулювань. За її деформацію відповідає вся купа піщинок, що значно ускладнює поведінку системи та пошук для неї точно розв'язних математичних моделей. Вони могли б допомогти не просто пояснити поведінку того ж піску, а і створити ідеальні зразки, з якими можна працювати у лабораторіях і для інших систем, на стан яких впливає багато мікроскопічних подій.

Пісок є дуже цікавим матеріалом принаймні завдяки тому, що може і текти як рідина у пісочному годиннику, а може і утворювати тверде тіло та закорковувати отвори чи заважати копанню. Більшість досліджень зосереджено на сухих сумішах піску, однак такі гранульовані матеріали в природі можуть містити рідину та ставати набагато жорсткішими та міцнішими, особливості чого і прагнули дослідити вчені Токійського столичного університету.

Який пісок обрали фізики?

Ви будуєте піщані замки саме із мокрого піску, бо тоді він може утримати свою форму та навіть залишити її після висихання. Така поведінка піску пов’язана з утворенням «містків» між його частинками — капілярних, які і пов'язують зерна разом, утворюючи міцні конструкції. Однак, однорідний вологий пісок у лабораторії важко приготувати: його складно змішати рівномірно та він дуже швидко сохне. Тому дослідники вирішили звернутися до «чарівного піску» — кінетичної суміші із силіконовим покриттям, яку купили поруч в іграшковому магазині. Загалом популярна іграшка зацікавила їх тим, що такий пісок боїться води, але при цьому також вміє утворювати подібні до звичайного капілярні містки, зліплюючися один з одним. У своїй роботі вчені вивчали макроскопічні особливості суміші обох видів піску, щоб перевірити, чи можливо контролювати механічні властивості звичайного, додаючи до нього кінетичний.

З якого піску краще будувати насип?

Для з’ясування питання про те, як зробити звичайний пісок більш контрольованим, вчені провели три незалежні експерименти. Для початку вони 100 разів трясли сито із кожним видом піску окремо та з’ясували, що обидва поводяться однаково — утворюють сферичні жорсткі скупчення. Тут же фізики і з’ясували, що кінетичний пісок не любить об’єднуватися зі звичайним та «не приймає» його у кластери навіть після сотого струшування. У наступному експерименті вони вимірювали щільність суміші та намагалися закоркувати нею двоміліметровий отвір і швидко наповнити контейнер. Так з’ясувалося, що кінетичний пісок швидше заповнить щілину, а у поєднанні зі звичайним може пришвидшити піщаний потік та швидше наповнити контейнер. І звичайно вчені перевірили стійкість семи піщаних насипів із сумішей, та за рівнем відхилення кута з’ясували, що найстійкішими є ті, де частка кінетичного піску у звичайному перевищує 20 відсотків.


Змішуючи пісок у різних співвідношеннях, команда вчених могла вільно вивчати, як поводить себе вологий пісок до найдрібніших фракцій, де лише деякі окремі зерна були пов'язані капілярними містками. Вони виявили, що додавання піску з силіконовим покриттям понад певного порогу призводить до різкої зміни кластеризації і жорсткості звичайного, що є потенційним способом регулювання його поведінки у промисловості. Також важливо, що ця робота демонструє новий зручний спосіб вивчення фізики м'якої речовини та може стати стандартом для майбутніх досліджень.

Зображення сумішей із різною кількістю кінетичного піску, а також зв’язку піщинок у ньому (b1) та уникнення ними об’єднання зі звичайним піском (b2). Journal of the Physical Society of Japan, 2021

Зображення сумішей із різною кількістю кінетичного піску, а також зв’язку піщинок у ньому (b1) та уникнення ними об’єднання зі звичайним піском (b2). Journal of the Physical Society of Japan, 2021