沙子是固体还是液体(MIT 教授提出新解释模型)

如果一个人慢跑在沙滩上,那么沙子则像固体支撑着他们的重量;把它放在沙漏中,沙子则又像液体一样从缝隙流出;如果小孩子跌倒并踢到一堆沙,沙子粒又会互相碰撞交互,就像气体一样。

像沙子这样的颗粒状物质无处不在。它们构成土壤、沙子和碎石,用于烹饪的谷物和面粉,以及我们用于药物的粉末。除了水之外,它们是工业用量最多的材料。然而,我们却对其如何流动以及与外界互动知道的少之又少。

沙子是固体、液体还是气体?这是一个困扰科学家几个世纪的问题。

那么,沙子到底属于什么状态? “在我看来,它可以是以上任何一种”, 麻省理工学院机械工程副教授Ken Kamrin说道, “如果我们想更好地理解颗粒介质,我们必须尽可能广泛地去探索它,并分别做出其在固体、液体、气体的模型。”

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在Karmin的职业生涯开始时,他看到了研究颗粒介质的巨大机会。 他解释道:“粒状材料学是少数几个能够对许多不同领域产生直接影响的学科。”

作为工程物理学和应用数学的学生,Kamrin慢慢地对连续介质力学产生兴趣。Karmin从中得到了用于计算物质在宏观下变化的主要公式。然而,当Kamrin得知没有任何一组方程可以用来计算沙流时,他感到震惊。 “这成为我之后研究该方向的动力”, 他回忆道, “我被这个想法所迷住,也许我们可以给出答案。”

粒状材料从很多角度来看都是复杂的。粒状材料不但可以存在于主要3种物质状态之外,还包含较大的且和原子行为不同的粒子。这是在预测宏观气体或流体运动时所不存在的问题。粒状材料也受到压力的影响。如果你挤压一把沙子,它的行为与轻握住它时会有很大不同。此外,两杯看起来相似的沙子,其行为会因其制备过程而有所不同。

虽然已经有了很多关于粒状材料如何在单方向平面中流动的研究,但如果将这种想法拓展到日常例子中并尝试去理解,那将非常困难。

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Kamrin的灵感来自于一个偶然,一项关于蛋黄酱中乳液流动的研究启发了他。 “我看着他们提出的用于乳液流动的模型,便想到了这个点子”, Kamrin说, “我认为我可以做一个粒状物质模型,并用沙子取代蛋黄酱。”

通过修改公式后,Kamrin的结果非常接近,他甚至认为这太过顺利了。 “我想我可能已经找到了我迄今为止最重要的结果” ,Kamrin回忆说。

Kamrin 的模型已经可以预测粒状材料在不同环境中的行为。它甚至可以预测两个速度差距极大的粒子的行为。该模型还被用来预测其他与颗粒有关的奇怪现象,例如观察流水阈尺寸的影响。

Kamrin解释说:“粒状材料我们随处可见,然而现在我们有了可以预测它的工具。”

Kamrin和他的团队开发了可以在任何情况下运行该模型的软件。这种模型可能会有极大的影响,例如帮助预测滑坡等地质灾害,优化工业料斗的设计或通过滑槽控制流量。

“如果你想对颗粒物质做些什么,我们现在可以用该模型做出强有力的预测”,Kamrin补充道。

最近,Kamrin发现该模型简化了“粒状干涉”的情况,这对于理解颗粒物质中的撞击,挖洞及其运动至关重要。这项研究可以用小规模测试来解释大规模的事情。这项研究可以帮助汽车行业研究车轮和轮胎面,以更有效地在泥地、沙子和碎石上驾驶。它甚至可以帮助NASA改进火星漫游车的设计。

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