物理

几乎是液体的颗粒状介质

斜率d’一堆沙子与’horizontale, à cause notamment 的a friction entre les grains. Mais avec des grains si petits qu’ils sont soumis à l’’écoule presque comme 液体。

卢卡斯·吉尔恰克(Lucas Gierczak)
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一堆沙子

大沙丘的形状ésulte 的’action du vent 以及沙子的颗粒性质ère des propriétés intermé那些之间的日记’un solide – 印éformable – et d’un liquide, dé成形的和无形的。在这样的系统中è我的物理学,沙粒只是主题’à它们之间的引力和固体摩擦 ; les autres forces 像摩擦’空气或’agitation thermique sont négligeables à cette é规模。但是,如果’我们认为,从’ordre du 微米ètre de diamè我们不能再成为égliger l’热搅拌。这种影响如何影响桩的形成 ? C’是出现的问题ée 安托万乙érut et ses collègues de l’université d’Aix-Marseille. En étudiant 经验值é押韵的行为’un 一堆微小的珠子,他们表明é qu’en raison 的’热搅拌,这些固体颗粒会èrent des propriété的集体更接近’un liquide.

Qu’他们有几公里长ètres, dans les dé锯齿状,或几厘米ètres, sur la 海滩,沙丘 与我形成一个角度’horizontale, 姓mé « angle de talus »通常在10之间 et 30 degrés。关于大沙丘形式ées par le 风, cet angle est souvent différent sur chaque face, 因为a direction privilégiée du 风 qui aplatit la face 经验值osée (à environ 10 degrés) ; le versant à l’abri du 风 présente le « vrai » 倾斜角, d’environ 30 degrés. Plus généralement, pour n’任何一堆沙子,我’angle de talus dé取决于几个因素,例如沙粒的大小和组成或éométrie globale du tas.

如果我’on tente d’通过倒沙子扩大一堆沙子 在其顶部,因为堆的坡度不能éder l’倾斜角度,沙不’不要积累在顶部 : il s’é从堆的两侧流下来 s’élargit en mê它的高度增加的时间。但是,静止的堆是稳定的 et ne s’é没有外部干预将无法工作é更高。在某些情况下,’angle de talus 有时低于10 degrés. C’谷物挤奶时尤其如此é使其几乎消失î成为坚实的摩擦 ; l’倾斜角达到6 degrés dans les cas extrêmes. Il n’但是不为null,因为堆n的形成’est pas due qu’沙粒之间的摩擦,但是également à纯粹的g稳定éomé它们之间的一部分谷物。 Ce qui n’est pas le cas si l’on remplace le matériau granulaire par 液体。

安托万乙érut et ses collè他们刚刚更换é les grains de sable 经典s, d’典型的几几分大小èmes de millimè非常,通过几微米的二氧化硅珠è非常唯一潜水ées dans 的’纯净水,它们的重量足以跌落到水的底部é形成堆的容器–不要停留在暂停状态–, mais assez légères pour ê永远顺从à l’摩尔的热搅拌écules d’他们周围的水,等等« vibrer » légè真。物理学家已经测量é l’相关的倾斜角é à ces microbilles.

Pour cela, 他们 ont utilisé des ré圆柱形容器,已放置és sur leur tranche et remplis à moitié d’eau et à moitié de billes (见下文). En 走ant 的a situation où大理石填满一半é infé圆柱顶部,带有上表面é平顶,然后他们转身é圆柱体使它们与’horizontale, 姓mé « angle de départ ». Les billes, observé在显微镜下’expérience, s’écoulent alors latéralement et l’angle 的a surface du tas de billes diminue assez rapidement (l’équipe s’est assurée是表面上的球在其他表面上滚动,而不是在圆柱壁上滑动的整个桩。)

mesure 倾斜角 milieu granulaire

Dans le dispositif 经验值é作者的情绪,包含’观察到水和微珠és grâce à un microscope posé在其侧面并且其板正在旋转。研究人员有étudié l’évolution au cours du temps 的’球的角度与l’horizontale.

©A.Bérut等人,《布朗尼粒状流向下堆积》,《物理评论快报》,第1卷。 123,n°24,文章248005,2019

Mais 安托万乙érut et ses collè格斯随后做出了令人惊讶的观察 : 后ès une première phase où l’角度下降很快 jusqu’à atteindre environ 8 degrés (往上看), la diminution 的’angle se poursuit 印é细得多,慢得多–越来越慢–, 取决于’à堆的表面完全平坦 ! Ainsi, il n’existe pas d’angle de talus à正确地说,当谷物足够小时,c’est-à-dire lorsque l’热搅拌’ils subissent n’est plus né比较滑à他们的体重。一堆微米球é因此,trique是一种粒状介质« fluidifié » par l’agitation thermique.

En fixant un d角é15的任意份额 degrés,物理学家已经复制了’expé与几个直径的球rienceètres diffé年金,介于1.55之间 et 4,4 micromètres (见下文)。球越大,l’étalement du tas 在那儿ent, car les fluctuations thermiques sont alors d’autant plus né在重物前面滑动并填充’autant moins leur rôle de 流态化cation du milieu granulaire.

倾斜角

此图显示了’évolution 的’球的角度与l’水平随时间变化,用于比较é年金球的大小。最后更多ères很大,重量越重要,则越’热搅拌为né重物前面很滑。几百倍大的沙粒不受影响。és par ce phénomène.

©A.Bérut等人,《布朗尼粒状流向下堆积》,《物理评论快报》,第1卷。 123,n°24,文章248005,2019

但为什么« l’临时倾斜角 », dû à l’écoulement « classique »在第一堆大理石è重新阶段并迅速达到,是如此脆弱– 的’ordre de 8 degrés et non 30 degrés, comme pour les dunes 经典s ? D’aprè的研究人员’可以通过以下事实来解释:硅胶球的表面égère charge négative. La répulsion électrostatique raré因此依靠接触并减少滚珠之间的固体摩擦。所以« lubrifié »,粒状介质’é流量好多了,进入îne la diminution de l’倾斜角。安托万乙érut et ses collègues ont vérifié cette hypothèse en remplaçant l’由盐溶液制成的纯净水。形态离子é通过盐的溶解本身êmes chargés, font alors écran à la force de répulsion é通过在球之间插入电荷,使球之间产生静电,使流化效率低下。在这种情况下,’临时倾斜角 était plus élevé : environ 15 degrés.

最后,物理学家尝试了é d’通过mod解释这些意见è模样。为了简化这一过程,他们注意到é que pendant l’é流动,只有球位于é在堆上– les deux premiè最多–在运动。原木é下面是稳定的ées通过施加的重量é par celles placées au-dessus, 取决于’à登上水面骑à leur tour.

球堆沙角

在国防部è作者,只有原木ées à桩的表面可能会é放置的可能性更高é vers l’aval, car la barrière d’énergie à franchir (U+)然后降低。

©A.Bérut等人,《布朗尼粒状流向下堆积》,《物理评论快报》,第1卷。 123,n°24,文章248005,2019

安托万乙érut et ses collè格斯因此被同化了é les billes « libres » 的a couche supérieure à顺从球à une 热搅拌 aléatoire – quantifiée par la température de l’eau –,并且每个都放在另外两个球上。他们有计算é la barrière d’é松散的大理石必须通过才能达到的能量à将其滚动到两个球上 (往上看),就地ée en « amont » et celle située en « aval » (pour cette dernière, la barrière d’énergie est bien sûr较小)。通过运用统计物理学原理,他们éduit l’é时间演变éorique 的’球桩与l的夹角’horizontale. Leur résultat同意观察。 Né尽管如此,物理学家指出éjà certaines limites 的eur modè二维简单 : il repose sur l’indé差异行为的依赖性 é免费球年金– en né因此滑落了集体效应–并且不考虑配置géométrique pré精简系统的三个方面ème.

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